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电动自行车火灾事故频发,为什么我们用不好锂电池?

电能配件 2023-1-13 14:53 Au: 新能源说

01.12

知识份子

The Intellectual



电动自行车火灾事故频发,为什么我们用欠好锂电池?


撰文 | 满凯

责编 | 冯灏


  


到今年4月,《电动自行车平安技术规范》就已经推行整四年,但其削减电动自行车平安隐患的效果却不尽如人意,与电动自行车相关的火灾事故还是交通工具火灾中的突出问题。


2022年前十个月,我国消防部分共接报电动自行车和三轮车火灾1.8万件起,同比上升25.7%。


2022年10月,上海一居民楼室内锂离子电池在室内充电的进程中发生故障热失控引发火灾,造成2人死亡;


7月,江苏某地车棚内一辆电动自行车自燃,引起其他停放的电动自行车接连爆炸,45辆电动自行车、22辆自行车以及车棚上的电线均被烧毁。


2021年9月,北京通州区某小区内一辆电动自行车在阳台充电时爆炸引发火灾,致使居住在楼上的5人被烧死或一氧化碳中毒死亡。


惊心动魄的事故报道和伤亡数字的背后,浙江绿源电动车有限公司总裁倪捷以为,有需要具体分析电动自行车火灾的原因。


他将电动自行车的火灾事故分为四类。一是户外充电时,插线板、线路等部位起火引起的邻近电动车燃烧;二是“新国标”前生产的低标准或老化的电动自行车,在充电进程中起火燃烧;第三类是消费者为了增加续航和配速自行改装,之后出现充电器和电池不适配、电池挤压毗连线等情况,在充电进程中发生意外。


第四类则是车辆和电池在设计和制造上存在的平安隐患,包括对电芯和电池组的物理防护、电池治理系统设计和电池自己的平安性能等。


倪捷说,“按照我的调查和估量,这四类火灾事故中,前三类各占十分之三左右,最后一类占十分之一到十分之二”。虽然在事故比例上,隐藏在电动自行车使用进程中的平安隐患大于车辆固有的平安隐患,可是倪捷以为,第四类事故才是电动自行车的生产端真正可以发力解决的。


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“似乎汽油一样,见火就疯着”


事故中的燃烧源或爆炸源是电池,且主要是锂离子电池。事实上,在电动自行车之外,锂离子电池在电动汽车范畴已经有了很好的应用,国产的锂离子电池已经占领了全球市场的大部。工信部赛迪研究院发布的数据显示,截至2021年末,中国动力电池产能约占全球的70%,世界十大锂电池厂家傍边,中国占据六席。


而对于中国特色的电动自行车,除了锂电池,还包括应用已久的铅酸电池。铅酸电池曾在电动自行车中普遍应用,其主要优点在于本钱低、平平稳定、大电放逐电和凹凸温放电性能好。铅酸电池在电动自行车中的应用十分成熟,是电动自行车电池的主力军,市场范围接近500亿元。可是,铅酸电池的能量密度较低,在相同电池容量下更重。


中国科学院电工研究所研究员陈永翀诠释说,“铅酸电池自燃和爆炸的可能性很是小。铅酸电瓶车假如发生起火,其主要原因也不是电池,而是在电池短路、高温老化或毗连不妥的情况下,电池毗连线发生的自燃。固然,在极个体情况下,例如充电器控制失效,也会致使铅酸电池过度充电,进而电池发热、鼓胀甚至燃烧和爆炸。”


锂离子电池最主要的优点就在于能量密度高,相对铅酸电池更轻,使用寿命更长。2018年5月发布的“新国标”对电动自行车的重量做了严格的限制。由此,原本在电动自行车范畴不受青睐的锂离子电池获得快速应用。同时,锂离子电池具有充电时间短的特点,契合了消费者对快充的需求。


可是,锂离子电池的本钱较高、平安性能相对铅酸电池要差一些,为电动自行车大范围应用的平安问题埋下了隐患。


以分歧技术线路划分,电动自行车用锂离子电池主要包括磷酸铁锂、锰酸锂和三元锂电池。


磷酸铁锂电池最大的优点是平安性好,主要体现在它的自燃温度高,需要500-800摄氏度以上才会自燃或者爆炸,所以发生事故时经常只冒灰烟、少见明火。磷酸铁锂电池的循环寿命长,在一般应用情况下可以充放电两千次以上,但低温性能差,冬季时掉电利害,使用里程明显缩短。


别的,能量密度相对三元锂电池也更低些,在同等电池能量下,体积和重量是三元锂电池的两倍左右,因此在电动自行车里的应用比例较小;但由于磷酸铁锂电池平安性能好,今朝也有应用比例上升的趋势。


和磷酸铁锂电池恰好相反,锰酸锂电池的循环性能欠安,一般充放电七百到八百次时容量已经衰减到80%以下了。它的高温性能欠好,在45度以上温度下弃捐较长时间会明显下降它的循环寿命,可是其低温性能好,在零下20度还能连结80%以上的电池容量,平安性能和磷酸铁锂电池差不多。现在有新的技术可以改良它的高温性能和循环性能,今朝正在电动自行车中加速应用。


三元锂电池优点主要在于能量密度高,是电动自行车范畴的“新贵”,其缺点也相当致命:平安性较差,电池短路后轻易发生燃烧和爆炸。


“三元锂电池在电动自行车上自己应用较少,可是由于早期电动汽车动力电池主要用的是三元锂电池”,苏州赛诺伊电动科技有限公司总司理纪冰告诉《知识份子》,“前些年退役的三元锂电池正在通过不正规渠道流入电动自行车电池市场”。


虽然性能上天差地别,以上三种锂离子电池有一个共性,低温下充电较慢,也不够平安。低温使电解液的粘稠度上升且电导率下降,致使电极和电解液界面间锂离子分散和电荷转移较缓慢,轻易在负极概况形成具有破坏性的锂枝晶。


不竭生长的锂枝晶如同慢性自杀一般延续下降电池使用容量,一旦其尖锐的头部刺穿隔膜,造成内部正负极短路,就很轻易引倡议火和爆炸。


锂离子采用的隔膜一般的耐热温度在140-180摄氏度之间,假如跨越这个温度,聚合物材料会从玻璃态转酿成活动态,致使正负极直接接触,剧烈放电,引倡议火或爆炸。别的,锂离子电池用的是有机电解液,倪捷说,“似乎汽油一样,见火就疯着”。

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A品电池卖给汽车厂

电动车厂获得B品电池


纪冰以为,今朝市面上电动自行车的电池质量良莠不齐,总体来说远不如电动汽车电池,背后的原因是电池供给困难、生产标准缺失和价格内卷,表露的问题反应了产业链的不成熟。


随着中国新能源汽车的产销量快速增长,动力锂电池的需求和产量也在激增。均匀使用5-7年后,动力锂电池的电池容量将下降至额定容量的80%以下,依照“新国标”,将不能继续作为新能源汽车动力电池使用。十年后的现在,市场上发生了大量面临退役的锂电池,在可延续发展的要求下,动力电池回收获为亟待解决的问题。


与此同时,除了头部企业以外的大部分电动自行车厂家不具有从国内大型的锂电池生产企业购入电池的资质。纪冰说,“关键原因在于电动自行车锂电池缺少标准,这让大型的锂电池厂家不敢供货,一旦出现问题没法子认定责任”。


2018年12月,国家标准化治理委员会发布了国家推荐标准《电动自行车用锂离子蓄电池》。但由于该标准是推荐性标准,约束力有限,电动自行车企业可以选择不执行。


纪冰说,在电池生产商向电动自行车供货意愿不足的情况下,部分厂家选择从锂电池生产企业购入电芯,自己配组成电池。更有甚者,部分小型的锂电池厂家已经做起了这部分生意。


陈永翀说,“早期一些生产汽车锂电池的大厂,会将电压相近、内阻一致的A品电池打包、组配好卖给汽车整车厂,而把内阻、电压良莠不齐的所谓B品电池卖给一些没有锂电池生产资质的小厂。这些小厂再将电池串并联成组,卖给一些小品牌电动车整车厂和诸如维修点、销售门店等二级市场。”


锂电池是由多个电芯并联或串联组成,假如要电池整体运行顺畅,电芯的一致性就必须好。一致性差的电池在持久使用后,电芯的参数差别会增加。纪冰诠释,“就似乎水桶的容量取决于最短的板子,电池的质量取决于最差的那支电芯”。电动自行车厂家受制于购入电芯的基数不够大和相关技术问题,电池的性能往往欠安。


除了上游电池供给不足以外,电动自行车厂家对锂电池高企的价格也望而生畏。受到原材料金属价格上涨的影响,锂电池价格在2020年末进入上升通道,以碳酸锂为例,2023年1月价格已经是两年前的十倍以上。


纪冰说,“现在行业内一组48伏24安时的正规锂电池大要在2000元左右,几近就是电动自行车的整车零售价格”。在这种情况下,电动自行车厂家自然要在控制电池本钱上想法子。


一边是大量亟需找到回收路径的废旧电池,另一边是电动自行车生产中庞大的锂电池进货缺口和控制本钱的需求。纪冰说,这两年大量的电动自行车使用了拆机电池,即对电动汽车废旧电池重新组装后的电池。


由于电芯和电路老化,拆机电池的性能不稳定,再加上一些小厂家采用简陋的方式组装品质良莠不齐的电芯,在电芯间的绝缘、防撞、防穿刺和电池治理系统上节省本钱,拆机电池的不良使用大大增加了事故风险。

3


从充电桩到换电柜


解决电动自行车平安问题的一个思路是治理事故风险和减小事故价格。

近年来,户外的公共充电和换电桩逐渐成为刚需。实现车辆或者电池的集中隔离充电,一来可以使用技术办法庇护电池,二来在事故发生时可以减小对生命和财富的损害。


2021年,应急治理部《高层民用建筑消防平安治理规定》明白,制止在高层民用建筑公共门厅、疏散走道、楼梯间、平安出口停放电动自行车或者为电动自行车充电,激励在高层住宅小区内设置电动自行车集中寄存和充电的场所,很洪流平上促进了电动自行车公共充电设施的推广和扶植。


电池充电时电压较高,是电动自行车起火风险较大的时候,在户外充电可以很洪流平的庇护用户的生命平安。可是倪捷以为,今朝户外充电桩、柜的扶植还不足,更重要的是充电设施简单,缺乏对电池数据监测的功能。很多锂电池柜设置在高密度居民楼下,有的靠近火源、有的电线表露,其中有些电池已十分破旧仍在使用。


没有行业标准和监管办法来规范化扶植和运营,致使户外充电区域的事故风险仍然很高。有没有加倍方便、智能和平安的充电方式呢?


换电模式近来受到普遍关注,相较于传统的充电模式,它将电池同一治理,通过数据化监测让充电更平安。同时,换电节省了用户的时间,也相当于延长了续航能力,比如,希望在送单高峰期节俭时间和持续骑行的外卖骑手就对换电模式青睐有加。


以某头部换电品牌的产物为例,为了买通整个换电流程,需要完成换电柜安置、同一锂电池的配置和用户电动自行车革新,还需要结合电动自行车厂家生产配套的电动自行车,为部分用户提供电动自行车的采办和租赁服务。


电池被放置在较为密闭和恒温的换电柜仓格内充电,仓格内置火情监测装置、灭火器和自动断电开关,在低温或雷雨天气下可以一定水平上平安充电,恒温系统可以避免低温充电发生的锂枝晶问题。换电柜装有数据化的监测系统,对于充电电池的实时监测可以有效避免出现过充情况。总的来说,今朝市面上换电柜的充电情况要优于一般充电桩。


为了更方便和快捷地换电,换电柜需要在城市中相对密集散布。同时,用户需要配备可换电的电动自行车,或者直接在门店中将原有电池换为换电电池。《知识份子》在北京多家电动自行车门店领会到,一般情况下,车辆原来配有48V锂电池且电池仓空间足够放下换电电池,便可以更换电池。假如用户的原有车辆不适合换电,也可选择在门店采办或租用配套的电动自行车。


倪捷以为,锂离子电池的电动自行车终极需要做到“车充实离”。可是今朝换电行业间隔全面普及的方针还很遥远且面临很大困难,最重要的是没有同一的充换电技术和市场的准入标准,其次换电模式在外卖骑手中较受欢迎,可是普通用户的接管度不高,如何改变用户习惯是让换电模式发挥保障平安充电作用的重要条件。

4


电池技术线路的两难决定


“新国标”曾是对动力电池技术的一次大考,锂离子电池挺身而出却没能交出完美的答卷,继续发展还是转换赛道是摆在业界眼前的困难。


中国科学院物理研究所研究员黄学杰告诉《知识份子》,分歧方针应用场景下,电池技术有着分歧的优选解决方案。磷酸铁锂电池比三元锂电池的能量密度低,因此今朝续驶里程要求不高的车辆常采用磷酸铁锂电池,而三元锂电池更多被售价更高、一次充电行驶里程更长的车辆采用。


黄学杰说,“电池性能的提升只是电池技术发展的一个要求,资源的节俭或者资源稀缺型元素的替换尤为重要。”他以为,磷酸铁锂电池可以向5V尖晶石镍锰酸锂电池做技术升级,新电池具有更高的能量密度、更好的低温性能和更高的锂资源操纵率以及本钱上风;而高能量密度的镍酸锂/合金化负极动力电池省去了三元锂电池中资源稀缺的钴,可做到了大幅提升性能的同时下降本钱,可作为三元锂电池的“升级款”。


固态锂电池采用固体电解质取代了原来的电解液和隔膜,是新型变化性电池,今朝尚处在实验室研发向实际应用发展的阶段,可能在此后几十年或者更长时间才能实现范围应用。固态锂电池大大下降了电池热失控风险,在平安性上有根赋性的进步,同时还有望提升能量密度。华中科技大学教授黄云辉夸大,“电池的平安关系到车辆的平安,我们在提升电池能量密度的同时一定要斟酌它的平安性”。


一方面,锂枝晶在固态电解质中生长缓慢且难刺透电解质,避免了锂枝晶生长造成的短路现象;另一方面,固态电解质热稳定性强,避免了隔膜热变形造成的短路问题。此外,固态电解质不成燃,一般不会引发类似传统锂离子电池有机电解液的剧烈燃烧甚至爆炸。


对于固态电池特别是全固态电池,由于采用固态电解质,电池负极一般不采用锂脱嵌型石墨,而直接使用金属锂负极,由于金属锂负极的超高比容量,可明显减轻负极材料的用量,很洪流平上提升了电池的能量密度;再加上固态电池可以简化封装和冷却系统,可以进一步减轻电池重量,因此应用于电动汽车和电动自行车后,不但能明显提升平安,还能有效解决里程焦虑。


但固态电池的开辟和应用面临技术和本钱等多重困难。


固态电解质的电导率比原来低1-2个数量级,全电池的阻抗大,致使循环性能差。锂电池的电极材料在充放电时会发生膨胀和收缩,固态电池也是这样,液态电解液和电极接触好,而固态电解质和电极难以连结持久稳定的接触,这会增大电池的内阻,影响电池性能。因此,很多企业选择半固态电池或固液电池的发展线路,逐步削减电解液用量。添加部分固态电解质成份的半固态锂离子电池在平安性方面可望获得改良,行业内大都企业均在开辟相关技术。


由于固态电解质还存在离子电导率低、与电极材料的界面兼容性较差等问题,难以批量生产,加上固态电池的制备技术不够成熟,今朝还很难实现范围生产和应用,即使有试产或小范围生产,也本钱高企,制约了其范围生产和应用。


除了停留在锂离子电池上想法子,随着锂的资源制约问题越来越突出,学术界和产业界将眼光投向了其他二次电池体系,特别是——钠。


钠离子电池具有本钱低、倍任性能好、低温容量连结率高档优点。特别是钠的资源丰富、提炼相对简单,相比于价格高企的锂电,本钱上风明显。钠离子电池的能量密度虽不及三元锂离子电池,但与锰酸锂电池相当,有望媲美磷酸铁锂电池,是一个很好的发展偏向,未尝不是一个好的发展偏向。


在元素周期表中,Li和Na属于同一主族元素而且具有相似的化学性质,钠离子电池也具有和锂离子电池相似的工作原理,钠离子同样是通过在正负极之间的嵌入和脱出实现氧化还原反应。钠离子电池的正极材料很洪流平上决议了电池的能量密度,今朝主要有层状过渡金属氧化物、普鲁士蓝类化合物和聚阴离子类化合物三种,前两种材料的比容量相对较高,产业化应用远景广漠。


钠离子电池的负极材料是充放电进程中离子和电子的载体,决议了能量贮存与开释效率,锂离子电池商用的石墨负极无法实现钠离子的有效嵌入和脱出,主要使用层间距更大的无定形碳特别是硬碳作为负极材料。


今朝,钠离子电池还没有范围应用到电动汽车或电动自行车上。黄云辉提到,“现在钠离子电池已经在逐渐走向实际应用,应该会在两三年内在应用方面取得突破性进展。”倪捷也以为,钠离子电池的技术现在不是问题,问题是供给链产业链还没有形成,正负极材料均没有实现稳定生产。


可是纪冰却以为,在锂离子电池产业链成熟的情况下,钠离子电池市场远景堪忧,“就似乎我写的钢笔字挺好的了,今天忽然说以后改成练羊毫字,我必定不会改”。


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