清優材料宋春亮: 新能源汽車續航與安全問題的思考

為(wei) 什麽(me) 發展新能源汽車？

1. 石油能源危機

根據中國海關(guan) 總署公布的數據，2019 年中國石油進口量約為(wei) 5.06 億(yi) 噸，根據自然資源部公布的數據，我國2019年石油產(chan) 量約為(wei) 1.91億(yi) 噸，即中國的石油對外依賴度高達72%。通過查閱過去10年曆史數據，我國的石油對外依賴度已經連續10年超過國際公認的50%警戒線。

比中國原油對外依賴度突破 70%更嚴(yan) 峻的是，中國 70%以上的進口石油都經過馬六甲海峽，運輸通道集中而且單一，而近年來以美國為(wei) 首的西方國家在搞單邊主義(yi) &去中國化，貿易戰摩擦激烈，包括台海形勢錯綜複雜，一旦國際形勢不穩定，石油海上運輸風險將激增。麵對錯綜複雜的國際形勢，降低石油的進口依賴，對目前的中國具有極其重要的意義(yi) 。

隨著中國加入WTO及城鎮化建設，國家鼓勵汽車個(ge) 人消費化，汽車選擇越來越多價(jia) 格越來越親(qin) 民，同時汽車保有量也急劇增加，到2019年底，國內(nei) 汽車保有量高達2.6億(yi) 輛，汽車消耗的石油占比接近70%。

汽車是國家的支柱產(chan) 業(ye) ，國家鼓勵汽車消費，能有效促進經濟增長、穩定就 業(ye) ，汽車保有量還將持續增長。大力發展新能源汽車減少對石油的依賴，是應對 汽車與(yu) 石油三個(ge) “70%”挑戰的最佳解決(jue) 途徑。

2. 空氣汙染問題

汽車尾氣排放時，產(chan) 生細顆粒物、氧氮化物及揮發性有機物，均對大氣層尤其是人類居住的低空環境造成很大汙染。環保部數據表明，機動車已經成為(wei) 北京市大氣汙染物的主要來源，排放了全市58%的氮氧化物、40%的揮發性有機物和22%的細顆粒物。燃油車發動機技術經過上百年的發展，已經非常成熟，進步空間有限，因此大力發展新能源汽車是解決(jue) 空氣汙染的有效手段。

3. 產(chan) 業(ye) 升級

中國的汽車產(chan) 業(ye) 經過多年的發展，現在已經是國民經濟的支柱產(chan) 業(ye) ，2019年中國汽車產(chan) 銷量約為(wei) 2570萬(wan) 輛，全球汽車產(chan) 銷量約為(wei) 9030萬(wan) 輛，中國汽車產(chan) 銷量占全球比例為(wei) 28%，位居全球第一，中國已經是名副其實的汽車大國。但可以看到，汽車的核心技術之一動力總成部分，中國整車廠與(yu) 國外整車巨頭如大眾(zhong) 、豐(feng) 田、通用汽車等差距極大，中國的零部件公司離國外零部件巨頭如博世、采埃孚、電裝等同樣差距極大，核心技術掌握在國外巨頭手中，中國是汽車大國但不是汽車強國。

新能源汽車是革命性的變化，驅動由發動機變速箱轉變為(wei) 電池電機電控(簡稱三電)，而在三電領域中國跟國外發達國家的技術水平處於(yu) 同一起跑線，有機會(hui) 實現彎道超車。習(xi) 近平主席在 2014 年 5 月 24 日視察上汽集團的時候明確提出，“發展新能源汽車是我國從(cong) 汽車大國邁向汽車強國的必由之路”。到目前為(wei) 止， 中國在全球建立了最大的鋰離子電池產(chan) 業(ye) 鏈，全球十大電池供應商七家在中國，甚至出現了國外巨頭整車廠搶奪國內(nei) 電池供應的局麵，充分證明了大力發展新能 源汽車產(chan) 業(ye) 的正確性。

綜上所述，中國必須大力發展新能源汽車。在最近發布的國家十四五規劃中明確提到，“發展戰略性新興(xing) 產(chan) 業(ye) 。加快壯大新一代信息技術、生物技術、新能源、新材料、高端裝備、新能源汽車、綠色環保以及航空航天、海洋裝備等產(chan) 業(ye) 。”

發展新能源汽車的瓶頸

在新能源汽車發展過程中，在消費端來說，由於(yu) 充電樁建設不夠完善，快充技術不夠成熟，消費者有很強的裏程焦慮，希望汽車有更長的續航裏程，即電池 具有更高能量密度;同時對於(yu) 製造端來說，在一定空間內(nei) 裝載更多電量能降低單位成本，即電池具有更高能量密度，因此市場對電池能量密度提出越來越高的要 求。電池能量密度的提高目前主要通過正極材料的能量密度的提高來實現，即采用高鎳三元材料，而高鎳三元材料穩定性較差，易出現熱失控、起火甚至爆炸。

目前安全問題已成為(wei) 新能源汽車進一步發展的主要瓶頸，急需從(cong) 材料、設計等多維度去解決(jue) 此問題，消除消費者顧慮，使行業(ye) 能健康快速發展。工信部於(yu) 2020 年 5 月 12 日頒布了《GB 18384-2020 電動汽車安全要求》、《GB 38032-2020 電動客車安全要求》及《GB 38031-2020 電動汽車用動力蓄電池安全要求》三項 強製性國標，於(yu) 2021 年 1 月 1 日起強製執行。且工信部在 2020 年 6 月 8 日發 布了號稱“史上最嚴(yan) ”的新能源汽車安全隱患排查的通知。可以看出國家對新能 源汽車安全問題的重視。

新能源汽車對消費者來說首先是一輛好車才能讓人有購買(mai) 欲望，滿足好車的最基本條件是續航裏程足夠且安全性高，但續航裏程高就必須提高能量密度，跟安全是一對矛盾，因此下麵我們(men) 對鋰電池安全問題進行各個(ge) 角度的分析，目的是 通過材料、電氣、設計等創新解決(jue) 電池安全問題。

電池安全問題分析

1. 如何提高能量密度

如前文所述，首先電池係統能量密度需要提高，提高係統能量密度主要是通 過提高單體(ti) 電池(以下簡稱“電芯”)能量密度及優(you) 化結構來實現，即電芯材料創新及結構創新，如圖 3 所示。

1）電芯材料創新

電芯中主要材料分正極、負極、隔膜及電解質，其中隔膜起離子傳(chuan) 導和隔開正負極避免短路作用，電解液起離子傳(chuan) 導作用，一般認為(wei) 對電池能量密度貢獻較小，提高能量密度主要通過正負極材料的創新來實現。

正極材料:

提高能量密度主要是提高脫鋰電壓平台及提高材料比容量，目前產(chan) 業(ye) 化的成熟路線是LFP及NCM，NCM電壓高於(yu) LFP，且由分子結構決(jue) 定NCM比容量比LFP 更高，同時結構決(jue) 定了同樣重量下LFP體(ti) 積能量密度更低，因此目 前在正極材料上的創新主要是降低NCM中Co的含量，提高Ni含量，過去幾年間NCM從(cong) NCM333(Ni:Co:Mn=3:3:3)演變到 NCM811(Ni:Co:Mn=8:1:1)，大幅度提高了能量密度。

在 NCM 體(ti) 係中，Ni 起提供比能量作用，Co 起穩定材料層狀 結構作用，Mn 起提高材料熱穩定性作用，可以看到，材料從(cong) NCM333 變成 NCM811， 能量密度大幅提高但結構穩定性和熱穩定性都大幅下降，NCM811 分解溫度較低 且分解時產(chan) 生氧氣，能直接快速起火甚至爆炸，此處提高能量密度是以犧牲電芯 安全性為(wei) 代價(jia) 的。

負極材料:

提高能量密度主要是降低脫鋰電壓平台及提高材料比容量。目前 產(chan) 業(ye) 化的石墨負極脫鋰電壓為(wei) 0.1V，理論比容量 372mAh/g，而新型負極矽負極 脫鋰電壓為(wei) 0.5V，理論比容量 4200mAh/g，遠遠大於(yu) 石墨負極，因此矽負極能提 高能量密度。但是矽負極在充放電過程中體(ti) 積膨脹約為(wei) 300%，遠大於(yu) 石墨的 10%， 因此循環壽命急劇衰減，目前無法單獨使用，一般是在石墨負極中摻雜 5-15%的 矽來複合使用。摻雜了矽負極後，電池膨脹率加大，電芯內(nei) 部均熱性變差，循環壽命有所下降，且均熱性變差後一定程度上增加了熱失控風險。

同時，在科研階段的鋰金屬電池是個(ge) 理論能量密度更高的材料，理論比容量3861 mAh/g，略低於(yu) 矽負極，但鋰金屬電壓為(wei) 0V，因此理論能量密度更高。目前鋰金屬負極主要存在活性太強儲(chu) 存難、易產(chan) 生鋰枝晶等問題，離產(chan) 業(ye) 化還有較長距離。

2）結構創新

除電芯中材料創新提高能量密度外，結構設計的創新及結構材料的創新也是提高能量密度的有效手段。

結構設計創新:

目前主要是在不影響結構強度的情況下通過精簡各種結構件 提高空間利用率來達到目的，趨勢是將模組做成大模組，甚至無模組化，如寧德 時代推出 Cell to Pack 方案(以下簡稱 CTP)，電芯直接裝配成 pack，去除了傳(chuan) 統 的中間態模組結構，節約了大量的空間和結構件的重量。此 CTP 方案的核心材料 之一是大量采用了滿足性能的導熱結構膠，用約 0.5mm 厚的結構膠粘接固定替 代了大量的塑料框、金屬結構件等降低重量，同時電芯直接粘接在一起節約了大量空間。

此處值得重點一提的是比亞(ya) 迪刀片電池技術，刀片電池仍然是正極磷酸鐵鋰 +負極石墨，但普通電芯尺寸一般是長 300mm 以內(nei) ，為(wei) 了增加能量密度電芯厚度做到了 30mm、50mm 甚至更厚尺寸，均熱性較差，比亞(ya) 迪刀片電池自主研發的工藝將電池做到了 2000mm 長，厚度 13.5mm，更薄的電芯帶來更好的散熱，極大的提高了體(ti) 積利用率的同時電池散熱性能做到了很好，提高了體(ti) 積能量密度且 大幅度提高了電池係統的安全性。此創新堪稱鋰電池領域重大工程創新，值得大家學習(xi) 。當然，受材料體(ti) 係所限，磷酸鐵鋰要進一步提高能量密度很難，已接近材料理論上限。

結構材料創新:

除結構設計創新外，結構材料本身的創新也是提高能量密度 的有效方法，主要是采用密度更低、更輕薄的材料達到輕量化的目的，如連續玻 纖增強尼龍替代鋁合金等。

電芯材料創新及結構創新均能提高能量密度，但結構創新為(wei) 輔，最大比例提 高能量密度還是通過正負極材料的創新來達成。通過前文所述，目前提高能量密度主要是提高正極材料的比容量如采用高鎳材料，高鎳材料必然帶來安全性問題， 下麵將目前行業(ye) 內(nei) 科學家、企業(ye) 家、工程師們(men) 對提高電池安全所做的思考和努力做個(ge) 匯總分析。

2. 如何提高電池安全性

除電芯本身安全外，結構安全及電氣安全同樣十分重要，下麵從(cong) 電芯安全、電氣安全及結構安全三方麵來展開闡述，見圖 4.

1）電芯安全

正極材料：

提高能量密度需要高鎳，因此如降低 Ni 含量或采用 LFP 不可取，短時間內(nei) 比亞(ya) 迪獨有技術在結構創新上提高了 LFP 體(ti) 積能量密度但後續進一步提高還是需要在材料上提高。因此目前對於(yu) 提高安全性來說，在正極材料上做創新效果較小。

隔膜：

隔膜對能量密度貢獻不大，但對安全性影響較大，主要是隔膜在高溫下易變形導致短路，因此對隔膜的改性主要是提高其耐溫性，如目前成熟的技術是進行陶瓷塗層改性，用精密塗布機進行浸潤塗布的工藝來進行陶瓷化改性，以提高隔膜強度及耐溫性從(cong) 而提高電芯安全性。

同時也有在研究用本體(ti) 材料耐溫性更好的樹脂做隔膜，如芳綸、聚酰亞(ya) 胺等，但目前此類材料存在加工困難、離子傳(chuan) 導率低等問題，還需要繼續改進。

負極材料：

負極材料目前通常為(wei) 石墨，一般認為(wei) 跟電池安全性關(guan) 係較小，因此在負極材料上做創新對提高電芯安全性效果不明顯。

電解質：

目前主要是液態，如六氟磷酸鋰+碳酸酯類溶劑組成的電解液，提供良好的離子傳(chuan) 導性。但目前的溶劑均為(wei) 低閃點的易燃物，在電池熱失控起火後電解液起助燃作用，加速熱擴散，因此對電解質的改進主要集中在提高阻燃性方麵，包括通過氟化等手段改變分子結構合成出阻燃更好的溶劑、物理共混添加阻燃劑等，但目前均存在阻燃提高後離子傳(chuan) 導能力變弱的問題。

同時革命性技術固態電池的研究如火如荼。固態電池是采用固態電極材料和固態電解質材料不含任何液體(ti) 的電池，理論上具有高能量密度、高安全性能、高循環壽命、高生產(chan) 效率等特點，能徹底解決(jue) 液態電解質易燃問題。目前固態電池尚處於(yu) 研究階段，方向主要是聚氧乙烯 PEO 體(ti) 係、氧化物體(ti) 係及硫化物體(ti) 係。

PEO體(ti) 係電解質由於(yu) 結晶度高，導致室溫下導電率低，因此工作溫度通常需要維持在 60～85℃，電池係統需裝配專(zhuan) 門的熱管理係統。此外，PEO的電化學窗口狹窄，難以與(yu) 高能量密度正極匹配，能量密度較低。

氧化物固態電池倍率性能及循環壽命都比較優(you) 異，但電解質無法浸潤電極，且存在比較大的界麵電阻，導電性能較差。目前國內(nei) 如清陶發展等企業(ye) 在進行氧化物固態電池的開發。

硫化物固態電解質由氧化物固態電解質衍生而來，由於(yu) 硫元素的電負性比氧元素小，對鋰離子的束縛較小，有利於(yu) 得到更多自由移動的鋰離子。同時硫元素半徑大於(yu) 氧元素，可形成較大的鋰離子通道從(cong) 而提升導電率。但空氣敏感性、易氧化、高界麵電阻、高成本等問題還需要很長時間來解決(jue) 。目前三星、鬆下、索尼、寧德時代等都在進行硫化物固態電解質的研發。

2）電氣安全

電芯在裝配成組後，需要對其進行全生命周期的監控及管理，一般通過電池的大腦 BMS（Battery Management System）來管理。BMS 通過各種傳(chuan) 感器如溫度、壓力、電流等對電池進行監控，監控電池的電壓、電流、溫度等狀態，且在發現異常時進行調控，在電池發生熱失控調控不了時進行包括報警、斷電等行為(wei) 。這裏不止是硬件的堆砌，更重要是軟件算法，如何能在各種工況下精準的估算電池的狀態，這方麵國內(nei) 跟國外是有較大差距的。同時現在有研究加特定探針到電芯內(nei) 進行更為(wei) 精準的電芯狀態檢測的研究。

3）結構安全

除了電芯本身特性及做好電氣安全防護外，結構設計也非常重要。結構設計主要分主動安全防護及被動安全防護。主動安全防護主要是通過材料選型、結構力學仿真等來設計合理的結構，確保電池包箱體(ti) 強度足夠，且在振動、跌落、擠壓、泡水等嚴(yan) 苛的工況下電池模組及係統不散架不起火。被動安全防護主要是指電芯一旦熱失控後開始急劇釋放熱量時，如何選用合適材料及合理的設計來延緩熱量快速擴散從(cong) 而抑製電池熱失控連鎖反應。

被動安全防護主要是通過各種隔熱、防火材料對熱量及火焰進行阻隔來實現保護電池包的目的，本人的項目主要就是開發電池包被動安全材料如電芯&模組間、上蓋內(nei) 側(ce) 等應用點的隔熱防火材料，來延緩電池包熱擴散，增加乘客逃生時間。

被動安全材料開發

1. 電芯&模組間

單個(ge) 電芯熱失控後，溫度急劇升高且通過熱傳(chuan) 導向相鄰電芯傳(chuan) 遞，此時需要隔熱材料將熱量隔開，避免相鄰電芯相繼熱失控。常見的隔熱材料有泡棉、氣凝膠氈等。電芯熱失控後溫度迅速上升至 1000°C，一般泡棉在此高溫下迅速分解失效，無隔熱效果；氣凝膠氈為(wei) 二氧化矽氣凝膠粉體(ti) 及玻璃纖維棉複合物，能短時間耐 1000°C，有一定隔熱效果。前文講述過，電池在充放電時有膨脹現象，氣凝膠氈無回彈性無法吸收電池膨脹，長時間使用會(hui) 造成電芯內(nei) 部壓力過大導致循環壽命衰減問題，同時氣凝膠量產(chan) 工藝為(wei) 高溫高壓且專(zhuan) 利掌握在美國公司手中，存在高成本及供貨不穩定的風險。

針對氣凝膠存在的問題，本人帶領團隊根據電池熱失控溫度曲線來針對性開發一款兼具高回彈、耐高溫、高隔熱、低成本的材料。我們(men) 通過查閱文獻、多次試驗，最終自己合成出一款厚度 1.5mm 密度 0.35g/cm3 能長時間耐 1000°C高溫的隔熱防火泡棉，替代氣凝膠氈延緩電池熱擴散。

2. 上蓋內(nei) 側(ce)

電池在開始熱失控後在電量放光之前基本上是不可終止的，會(hui) 劇烈放熱起火，因此在電池起火後需要將火焰控製在箱體(ti) 內(nei) 不蔓延至外部。火焰為(wei) 電芯熱失控後高溫高壓氣體(ti) 噴射且達到燃點而產(chan) 生，往上擴散，短時間內(nei) 溫度高達1200°C，壓力達到 1MPa，首先燒到上蓋內(nei) 側(ce) ，上蓋一般為(wei) 鋁合金、鈑金、玻纖增強塑料等，在高溫高壓衝(chong) 擊下箱體(ti) 很快被燒穿，火焰蔓延至車身危及人身安全，因此需要裝配能耐高溫高壓的材料提高安全。目前行業(ye) 內(nei) 主流應用是安裝2mm 厚雲(yun) 母板，能有效防護火焰使短時間內(nei) 不燒穿上蓋。雲(yun) 母雖然能有效防火，但存在以下幾個(ge) 問題，不是用戶心中理想產(chan) 品，需要新材料去改進，主要問題如下：（1）雲(yun) 母為(wei) 矽酸鹽類硬質產(chan) 品，密度較大，為(wei) 2.0g/cm3，不利於(yu) 輕量化；（2）雲(yun) 母需要根據箱體(ti) 不同形狀進行裁切加工，用戶采購成本較高；（3）雲(yun) 母與(yu) 模組或箱體(ti) 通過螺絲(si) 鉚接加膠帶粘接來固定，隻能人工裝配無法實現自動化，用戶生產(chan) 效率低&製造成本高。

針對雲(yun) 母存在的問題，我們(men) 努力開發一款輕量化、低成本、自動化裝配的材料，通過條件篩選最終選定開發一款隔熱防火塗料，解決(jue) 雲(yun) 母的問題。市麵上的防火塗料噴塗厚度 3mm 以上，且隻能耐 800°C，我們(men) 通過查閱文獻、多次試驗，最終自己合成出一款噴塗厚度 0.7mm 能耐 1300°C 的防火塗料，替代雲(yun) 母延緩電池熱擴散。

浙江清優(you) 材料科技有限公司創立於(yu) 2017年，是一家以市場需求為(wei) 導向，集研發、生產(chan) 和銷售為(wei) 一體(ti) 的創新型企業(ye) 。清優(you) 材料專(zhuan) 注於(yu) 提高新能源汽車的安全性，秉承著高效的執行力、優(you) 質的服務和創新性，專(zhuan) 業(ye) 提供新能源汽車動力電池熱管理材料及綜合解決(jue) 方案。沃衍資本曾於(yu) 2017年領投清優(you) 材料A輪融資，並於(yu) 2019年再次注資。