1．現(xiàn)實(shí)的隱慮

    新能源汽車在降低能耗、減少二氧化碳排放等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，被視為未來(lái)汽車的發(fā)展趨勢(shì)，近年來(lái)世界各國(guó)也紛紛出臺(tái)政策與措施，以支持本國(guó)新能源汽車的發(fā)展。隨著我國(guó)“十城千輛”工程的逐步推進(jìn)，各新能源示范城市甚至部分未列入試點(diǎn)的城市，都相繼在公共交通、出租、郵政環(huán)衛(wèi)等領(lǐng)域投放了批量的純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車以及混合動(dòng)力汽車，新能源汽車逐漸出現(xiàn)在公眾的視野當(dāng)中。然而在新的技術(shù)帶來(lái)綠色出行理念的同時(shí)，在國(guó)內(nèi)外發(fā)生的數(shù)起安全事件，尤其是近期深圳的“5.26”比亞迪E6電動(dòng)出租車事故，危及到了生命，引起了公眾對(duì)新能源汽車安全性能的擔(dān)憂，而這些擔(dān)憂的焦點(diǎn)集中到了新能源汽車所裝配的電池組身上。

    鋰離子電池作為目前新能源汽車的能量?jī)?chǔ)存體，最先商業(yè)化于上世紀(jì)90年代初，并逐漸廣泛應(yīng)用于各類消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。在某些極限的條件下，由于電池遭到濫用，本身內(nèi)部微短路或外部短路，巨大的能量可能導(dǎo)致電池內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)燃燒，從而引發(fā)事故，類似的情況在消費(fèi)電子領(lǐng)域也有相關(guān)報(bào)道。相比消費(fèi)電子產(chǎn)品的應(yīng)用，新能源汽車中所使用的鋰離子電池組單體容量更大，串并聯(lián)數(shù)更多，同時(shí)使用的環(huán)境更嚴(yán)苛，從安全的角度來(lái)說(shuō)也存在著更大的風(fēng)險(xiǎn)，民眾對(duì)電池安全的擔(dān)憂并非沒(méi)有道理。

    2．影響鋰離子電池安全的內(nèi)部因素

    在新能源汽車領(lǐng)域，電池組的設(shè)計(jì)是車輛整體設(shè)計(jì)的重要組成，工程師們對(duì)電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，熱管理等方面進(jìn)行過(guò)全面考量，并通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，以滿足電池適宜的工作環(huán)境，從而保證司乘人員的安全。但如何提高電池自身的安全性，是解決電動(dòng)汽車安全問(wèn)題的核心課題。

    鋰離子電池主要由正極材料、負(fù)極材料、隔膜以及電解液組成。作為一個(gè)化學(xué)電源體系，在設(shè)計(jì)的工作條件范圍以內(nèi)一般不容易發(fā)生安全事故；而在某些極端條件下，如高溫、過(guò)充、過(guò)放、外部短路或針刺擠壓等，各組成部分自身的變化及相互作用都有可能影響電池安全。針對(duì)各組成部分而言：

    1) 正極材料。常見(jiàn)的正極材料包括鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO）、三元材料（NCM）、磷酸鐵鋰（LFP）等。不同的正極材料在接近其熱分解溫度時(shí)可能分解并與電解液發(fā)生放熱反應(yīng)；電池在高電壓過(guò)充狀態(tài)下，鋰離子從正極材料過(guò)度脫出，其強(qiáng)氧化性可使電解液氧化,。正極材料與電解液之間的放熱反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，當(dāng)這些熱量無(wú)法散逸, 電池溫度會(huì)繼續(xù)升高, 進(jìn)一步加快放熱反應(yīng), 最終導(dǎo)致電池?zé)崾Э亍?/p>

    2) 負(fù)極材料。鋰離子電池大多采用石墨作為負(fù)極材料，在過(guò)充（有時(shí)甚至是正常充放電）時(shí)，鋰離子容易在負(fù)極堆積形成鋰枝晶，刺穿隔膜形成電池內(nèi)部短路，并與電解液反應(yīng)生成可燃性氣體，這是鋰離子電池最大的安全隱患。

    3) 隔膜。商用的隔膜為多孔PP/PE材質(zhì)，厚度一般為20-30微米左右，是正極材料與負(fù)極材料間唯一的屏障，當(dāng)電池發(fā)生外部短路或受到針刺擠壓時(shí)，很容易導(dǎo)致隔膜的破裂，造成短時(shí)間內(nèi)的大電流，使得電池內(nèi)部溫度升高，并在極短時(shí)間內(nèi)引發(fā)系列的劇烈反應(yīng)。

    4) 電解液。常用的電解液通常為有機(jī)物，電池在極端情況下發(fā)生的冒煙、燃燒甚至爆炸，與其有直接的關(guān)聯(lián)。與電池體系不匹配的電解液，在電池短路或電壓過(guò)高時(shí)會(huì)被分解，瞬間產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致脹氣或沖破殼體。

    對(duì)于這些鋰離子電池存在的可能的安全隱患而言，在非正常使用情況下，常用的碳負(fù)極所引起的鋰枝晶析出最容易發(fā)生，是電池安全的短板。針對(duì)各組成部分在電池安全方面存在的問(wèn)題，業(yè)內(nèi)也在積極進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)研發(fā)，如開(kāi)發(fā)正極材料時(shí)考慮其高溫穩(wěn)定性以及耐過(guò)充特性；在隔膜開(kāi)發(fā)中注重其防穿透能力及閉孔阻隔特性；開(kāi)發(fā)高電壓電解液等；而鈦酸鋰（Li4Ti5O12，LTO）作為負(fù)極材料取代石墨，使得鋰離子電池在安全性能上得到了很大的提升。

    3．鈦酸鋰（LTO）電池技術(shù)特點(diǎn)

    鈦酸鋰（LTO）材料用于電池開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)90年代，其作為負(fù)極材料應(yīng)用，相對(duì)碳負(fù)極有較大的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)受到很大的關(guān)注。

    LTO為尖晶石結(jié)構(gòu)，理論比容量為175mAh/g，實(shí)際比容量可達(dá)165mAh/g，并集中在平臺(tái)區(qū)域。LTO是一種零應(yīng)變材料，如圖1所示，鋰離子在嵌入與脫出時(shí)晶格常數(shù)與體積變化都很小，具備極優(yōu)的循環(huán)性能；而石墨的層狀結(jié)構(gòu)在鋰離子嵌入脫出時(shí)通常產(chǎn)生層間形變，并隨著嵌脫次數(shù)的增加而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)塌陷。LTO材料不與電解液發(fā)生反應(yīng)，無(wú)SEI膜形成；更重要的在于LTO的電勢(shì)比鋰金屬高，不易析出鋰枝晶，使得鈦酸鋰電池相對(duì)其他實(shí)用碳負(fù)極材料的鋰離子電池在根本上更安全。

圖1. 石墨與鈦酸鋰結(jié)構(gòu)對(duì)比

    為了得到更高的比能量密度，LTO通常作為負(fù)極材料與錳酸鋰（LMO）或三元材料（NCM）正極材料組成電池，電壓平臺(tái)為2.3V左右。

    4．更安全的LpTO電池

    微宏對(duì)現(xiàn)有LTO材料進(jìn)行改性，并同時(shí)對(duì)正極材料、隔膜以及電解液進(jìn)行了相應(yīng)的改性開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)整合，開(kāi)發(fā)出了更安全與超長(zhǎng)循環(huán)壽命的LpTO電池。

    憑借對(duì)電池原料的技術(shù)改性，尤其是LpTO負(fù)極材料的應(yīng)用，電池的安全性能得到了極大的提高。圖2是幾種目前常用在新能源汽車尤其是純電動(dòng)公交與混合動(dòng)力公交的電池與LpTO電池在同等條件下的穿刺測(cè)試對(duì)比照片。電池均為10Ah軟包裝單體，在相同的測(cè)試條件下，采用三元材料（NCM）作為正極，石墨（C）做負(fù)極的電池出現(xiàn)起火現(xiàn)象；采用磷酸鐵鋰（LFP）作為正極，石墨（C）做負(fù)極的電池產(chǎn)生了濃密的煙霧；而使用LpTO技術(shù)的電池則無(wú)異常現(xiàn)象出現(xiàn)，同時(shí)電池電壓亦顯示正常。這是因?yàn)長(zhǎng)pTO電池從基礎(chǔ)上改進(jìn)了現(xiàn)有其他體系的鋰離子電池潛在的安全問(wèn)題。

圖2. 碳負(fù)極與LpTO負(fù)極10Ah軟包裝電池穿刺對(duì)比安全測(cè)試截圖

    在某些更極端的測(cè)試條件下，LpTO電池也表現(xiàn)出較強(qiáng)的安全特性。圖3分別展示了LpTO電池在經(jīng)過(guò)并聯(lián)穿刺試驗(yàn)，或多次切斷后的實(shí)物照片?？梢钥吹?，電池在并聯(lián)穿刺后并未發(fā)生起火或者爆炸，而經(jīng)過(guò)多次切斷試驗(yàn)后還能保持其電壓。

圖3. LpTO電池10并穿刺測(cè)試及切斷測(cè)試后實(shí)物照片

    5．LpTO技術(shù)的應(yīng)用

    目前，這種更安全的LpTO技術(shù)在新能源公交領(lǐng)域已經(jīng)有了批量的應(yīng)用。自2011年3月以來(lái)，首批6輛配備LpTO技術(shù)的純電動(dòng)快速充電公交巴士在重慶609路已累積安全運(yùn)行28 000公里；2012年4月，又有25臺(tái)投入到新的線路運(yùn)營(yíng)，同期也投放了使用LpTO技術(shù)的50臺(tái)快速充電插電式混合動(dòng)力公交巴士到重慶4條公交線路上。到2012年底，在重慶配備LpTO技術(shù)的新能源公交巴士總數(shù)將達(dá)到200臺(tái)。圖4是裝配LpTO電池的快速充電純電動(dòng)巴士在重慶實(shí)地運(yùn)營(yíng)的照片。

圖4. 配備LpTO電池的快速充電純電動(dòng)公交巴士在重慶實(shí)地運(yùn)營(yíng)

    6．小結(jié)

    無(wú)論是車企還是配套廠商，作為新能源汽車事業(yè)的參與者，都首先要將安全作為頭等大事，不能用生命的代價(jià)來(lái)?yè)Q取產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。鋰離子電池在正常使用條件下是安全的，而為了保證鋰離子動(dòng)力電池的使用安全，除了在電池單體生產(chǎn)與成組時(shí)嚴(yán)格把控質(zhì)量關(guān)，避免因制造工藝引發(fā)安全事故以外，電池組合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電源管理以及熱管理都需要充分考慮。除去這些外部的因素以外，選用本身更安全的電池單體，可以從本質(zhì)上提高電動(dòng)汽車用鋰離子電池的安全系數(shù)。

    微宏的LpTO技術(shù)改進(jìn)了采用石墨負(fù)極電池的內(nèi)在缺陷，電池自身的安全特性得到了提升，使得電池更加安全。事實(shí)上，也有越來(lái)越多研究投入到了鋰離子動(dòng)力電池的安全研究領(lǐng)域，因此，我們有理由相信，通過(guò)更合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及電池技術(shù)本身的改進(jìn)，未來(lái)的新能源汽車將會(huì)更安全。