電動(dòng)自行車火災(zāi)事故頻發(fā)，為什么我們用不好鋰電池？
到今年4月，《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》就已經(jīng)推行整四年，但其減少電動(dòng)自行車安全隱患的效果卻不盡如人意，與電動(dòng)自行車相關(guān)的火災(zāi)事故仍是交通工具火災(zāi)中的突出問題。
2022年前十個(gè)月，我國(guó)消防部門共接報(bào)電動(dòng)自行車和三輪車火災(zāi)1.8萬件起，同比上升25.7%。
2022年10月，上海一居民樓室內(nèi)鋰離子電池在室內(nèi)充電的過程中發(fā)生故障熱失控引發(fā)火災(zāi)，造成2人死亡；
7月，江蘇某地車棚內(nèi)一輛電動(dòng)自行車自燃，引起其他停放的電動(dòng)自行車接連爆炸，45輛電動(dòng)自行車、22輛自行車以及車棚上的電線均被燒毀。
2021年9月，北京通州區(qū)某小區(qū)內(nèi)一輛電動(dòng)自行車在陽(yáng)臺(tái)充電時(shí)爆炸引發(fā)火災(zāi)，致使居住在樓上的5人被燒死或一氧化碳中毒死亡。
觸目驚心的事故報(bào)道和傷亡數(shù)字的背后，浙江綠源電動(dòng)車有限公司總裁倪捷認(rèn)為，有必要具體分析電動(dòng)自行車火災(zāi)的原因。
他將電動(dòng)自行車的火災(zāi)事故分為四類。一是戶外充電時(shí)，插線板、線路等部位起火引起的臨近電動(dòng)車燃燒；二是“新國(guó)標(biāo)”前生產(chǎn)的低標(biāo)準(zhǔn)或老化的電動(dòng)自行車，在充電過程中起火燃燒；第三類是消費(fèi)者為了增加續(xù)航和配速自行改裝，之后出現(xiàn)充電器和電池不適配、電池?cái)D壓連接線等情況，在充電過程中發(fā)生意外。
第四類則是車輛和電池在設(shè)計(jì)和制造上存在的安全隱患，包括對(duì)電芯和電池組的物理防護(hù)、電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電池本身的安全性能等。
倪捷說，“根據(jù)我的調(diào)查和估計(jì)，這四類火災(zāi)事故中，前三類各占十分之三左右，最后一類占十分之一到十分之二”。雖然在事故比例上，隱藏在電動(dòng)自行車使用過程中的安全隱患大于車輛固有的安全隱患，但是倪捷認(rèn)為，第四類事故才是電動(dòng)自行車的生產(chǎn)端真正可以發(fā)力解決的。
事故中的燃燒源或爆炸源是電池，且主要是鋰離子電池。事實(shí)上，在電動(dòng)自行車之外，鋰離子電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域已經(jīng)有了很好的應(yīng)用，國(guó)產(chǎn)的鋰離子電池已經(jīng)占領(lǐng)了全球市場(chǎng)的大部。工信部賽迪研究院發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2021年底，中國(guó)動(dòng)力電池產(chǎn)能約占全球的70%，世界十大鋰電池廠家當(dāng)中，中國(guó)占據(jù)六席。
而對(duì)于中國(guó)特色的電動(dòng)自行車，除了鋰電池，還包括應(yīng)用已久的鉛酸電池。鉛酸電池曾在電動(dòng)自行車中廣泛應(yīng)用，其主要優(yōu)點(diǎn)在于成本低、安全穩(wěn)定、大電流放電和高低溫放電性能好。鉛酸電池在電動(dòng)自行車中的應(yīng)用十分成熟，是電動(dòng)自行車電池的主力軍，市場(chǎng)規(guī)模接近500億元。但是，鉛酸電池的能量密度較低，在相同電池容量下更重。
中國(guó)科學(xué)院電工研究所研究員陳永翀解釋說，“鉛酸電池自燃和爆炸的可能性非常小。鉛酸電瓶車如果發(fā)生起火，其主要原因也不是電池，而是在電池短路、高溫老化或連接不當(dāng)?shù)那闆r下，電池連接線發(fā)生的自燃。當(dāng)然，在極個(gè)別情況下，例如充電器控制失效，也會(huì)導(dǎo)致鉛酸電池過度充電，進(jìn)而電池發(fā)熱、鼓脹甚至燃燒和爆炸?！?/span>
鋰離子電池最主要的優(yōu)點(diǎn)就在于能量密度高，相對(duì)鉛酸電池更輕，使用壽命更長(zhǎng)。2018年5月發(fā)布的“新國(guó)標(biāo)”對(duì)電動(dòng)自行車的重量做了嚴(yán)格的限制。由此，原本在電動(dòng)自行車領(lǐng)域不受青睞的鋰離子電池得到快速應(yīng)用。同時(shí)，鋰離子電池具有充電時(shí)間短的特點(diǎn)，契合了消費(fèi)者對(duì)快充的需求。
但是，鋰離子電池的成本較高、安全性能相對(duì)鉛酸電池要差一些，為電動(dòng)自行車大規(guī)模應(yīng)用的安全問題埋下了隱患。
以不同技術(shù)路線劃分，電動(dòng)自行車用鋰離子電池主要包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元鋰電池。
磷酸鐵鋰電池最大的優(yōu)點(diǎn)是安全性好，主要體現(xiàn)在它的自燃溫度高，需要500-800攝氏度以上才會(huì)自燃或者爆炸，所以發(fā)生事故時(shí)常常只冒灰煙、少見明火。磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命長(zhǎng)，在一般應(yīng)用情況下可以充放電兩千次以上，但低溫性能差，冬天時(shí)掉電厲害，使用里程明顯縮短。
另外，能量密度相對(duì)三元鋰電池也更低些，在同等電池能量下，體積和重量是三元鋰電池的兩倍左右，因此在電動(dòng)自行車?yán)锏膽?yīng)用比例較?。坏捎诹姿徼F鋰電池安全性能好，目前也有應(yīng)用比例上升的趨勢(shì)。
和磷酸鐵鋰電池剛好相反，錳酸鋰電池的循環(huán)性能不佳，一般充放電七百到八百次時(shí)容量已經(jīng)衰減到80%以下了。它的高溫性能不好，在45度以上溫度下擱置較長(zhǎng)時(shí)間會(huì)顯著降低它的循環(huán)壽命，但是其低溫性能好，在零下20度還能保持80%以上的電池容量，安全性能和磷酸鐵鋰電池差不多?，F(xiàn)在有新的技術(shù)可以改進(jìn)它的高溫性能和循環(huán)性能，目前正在電動(dòng)自行車中加快應(yīng)用。
三元鋰電池優(yōu)點(diǎn)主要在于能量密度高，是電動(dòng)自行車領(lǐng)域的“新貴”，其缺點(diǎn)也相當(dāng)致命：安全性較差，電池短路后容易發(fā)生燃燒和爆炸。
“三元鋰電池在電動(dòng)自行車上本身應(yīng)用較少，但是由于早期電動(dòng)汽車動(dòng)力電池主要用的是三元鋰電池”，蘇州賽諾伊電動(dòng)科技有限公司總經(jīng)理紀(jì)冰告訴《知識(shí)分子》，“前些年退役的三元鋰電池正在通過不正規(guī)渠道流入電動(dòng)自行車電池市場(chǎng)”。
盡管性能上天差地別，以上三種鋰離子電池有一個(gè)共性，低溫下充電較慢，也不夠安全。低溫使電解液的粘稠度上升且電導(dǎo)率下降，導(dǎo)致電極和電解液界面間鋰離子擴(kuò)散和電荷轉(zhuǎn)移較緩慢，容易在負(fù)極表面形成具有破壞性的鋰枝晶。
不斷生長(zhǎng)的鋰枝晶如同慢性自殺一般持續(xù)降低電池使用容量，一旦其尖銳的頭部刺穿隔膜，造成內(nèi)部正負(fù)極短路，就很容易引發(fā)起火和爆炸。
鋰離子采用的隔膜一般的耐熱溫度在140-180攝氏度之間，如果超過這個(gè)溫度，聚合物材料會(huì)從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變成流動(dòng)態(tài)，導(dǎo)致正負(fù)極直接接觸，劇烈放電，引發(fā)起火或爆炸。另外，鋰離子電池用的是有機(jī)電解液，倪捷說，“好像汽油一樣，見火就瘋著”。
解決電動(dòng)自行車安全問題的一個(gè)思路是管理事故風(fēng)險(xiǎn)和減小事故代價(jià)。
近年來，戶外的公共充電和換電樁逐漸成為剛需。實(shí)現(xiàn)車輛或者電池的集中隔離充電，一來可以使用技術(shù)措施保護(hù)電池，二來在事故發(fā)生時(shí)可以減小對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)的損害。
2021年，應(yīng)急管理部《高層民用建筑消防安全管理規(guī)定》明確，禁止在高層民用建筑公共門廳、疏散走道、樓梯間、安全出口停放電動(dòng)自行車或者為電動(dòng)自行車充電，鼓勵(lì)在高層住宅小區(qū)內(nèi)設(shè)置電動(dòng)自行車集中存放和充電的場(chǎng)所，很大程度上促進(jìn)了電動(dòng)自行車公共充電設(shè)施的推廣和建設(shè)。
電池充電時(shí)電壓較高，是電動(dòng)自行車起火風(fēng)險(xiǎn)較大的時(shí)候，在戶外充電可以很大程度的保護(hù)用戶的生命安全。但是倪捷認(rèn)為，目前戶外充電樁、柜的建設(shè)還不足，更重要的是充電設(shè)施簡(jiǎn)單，缺乏對(duì)電池?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的功能。不少鋰電池柜設(shè)置在高密度居民樓下，有的靠近火源、有的電線暴露，其中有些電池已十分破舊仍在使用。
沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管措施來規(guī)范化建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，導(dǎo)致戶外充電區(qū)域的事故風(fēng)險(xiǎn)仍然很高。有沒有更加方便、智能和安全的充電方式呢？
換電模式近來受到廣泛關(guān)注，相較于傳統(tǒng)的充電模式，它將電池統(tǒng)一管理，通過數(shù)據(jù)化監(jiān)測(cè)讓充電更安全。同時(shí)，換電節(jié)省了用戶的時(shí)間，也相當(dāng)于延長(zhǎng)了續(xù)航能力，比如，希望在送單高峰期節(jié)約時(shí)間和連續(xù)騎行的外賣騎手就對(duì)換電模式青睞有加。
以某頭部換電品牌的產(chǎn)品為例，為了打通整個(gè)換電流程，需要完成換電柜安置、統(tǒng)一鋰電池的配置和用戶電動(dòng)自行車改造，還需要聯(lián)合電動(dòng)自行車廠家生產(chǎn)配套的電動(dòng)自行車，為部分用戶提供電動(dòng)自行車的購(gòu)買和租賃服務(wù)。
電池被放置在較為密閉和恒溫的換電柜倉(cāng)格內(nèi)充電，倉(cāng)格內(nèi)置火情監(jiān)測(cè)裝置、滅火器和自動(dòng)斷電開關(guān)，在低溫或雷雨天氣下可以一定程度上安全充電，恒溫系統(tǒng)可以避免低溫充電產(chǎn)生的鋰枝晶問題。換電柜裝有數(shù)據(jù)化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于充電電池的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以有效避免出現(xiàn)過充情況。總的來說，目前市面上換電柜的充電環(huán)境要優(yōu)于一般充電樁。
為了更方便和快捷地?fù)Q電，換電柜需要在城市中相對(duì)密集分布。同時(shí)，用戶需要配備可換電的電動(dòng)自行車，或者直接在門店中將原有電池?fù)Q為換電電池。《知識(shí)分子》在北京多家電動(dòng)自行車門店了解到，一般情況下，車輛原來配有48V鋰電池且電池倉(cāng)空間足夠放下?lián)Q電電池，就可以更換電池。如果用戶的原有車輛不適合換電，也可選擇在門店購(gòu)買或租用配套的電動(dòng)自行車。
倪捷認(rèn)為，鋰離子電池的電動(dòng)自行車最終需要做到“車充分離”。但是目前換電行業(yè)距離全面普及的目標(biāo)還很遙遠(yuǎn)且面臨很大困難，最重要的是沒有統(tǒng)一的充換電技術(shù)和市場(chǎng)的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，其次換電模式在外賣騎手中較受歡迎，但是普通用戶的接受度不高，如何改變用戶習(xí)慣是讓換電模式發(fā)揮保障安全充電作用的重要前提。
“新國(guó)標(biāo)”曾是對(duì)動(dòng)力電池技術(shù)的一次大考，鋰離子電池挺身而出卻沒能交出完美的答卷，繼續(xù)發(fā)展還是轉(zhuǎn)換賽道是擺在業(yè)界面前的難題。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員黃學(xué)杰告訴《知識(shí)分子》，不同目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景下，電池技術(shù)有著不同的優(yōu)選解決方案。磷酸鐵鋰電池比三元鋰電池的能量密度低，因此目前續(xù)駛里程要求不高的車輛常采用磷酸鐵鋰電池，而三元鋰電池更多被售價(jià)更高、一次充電行駛里程更長(zhǎng)的車輛采用。
黃學(xué)杰說，“電池性能的提升只是電池技術(shù)發(fā)展的一個(gè)要求，資源的節(jié)約或者資源稀缺型元素的替代尤為重要?！彼J(rèn)為，磷酸鐵鋰電池可以向5V尖晶石鎳錳酸鋰電池做技術(shù)升級(jí)，新電池具有更高的能量密度、更好的低溫性能和更高的鋰資源利用率以及成本優(yōu)勢(shì)；而高能量密度的鎳酸鋰/合金化負(fù)極動(dòng)力電池省去了三元鋰電池中資源稀缺的鈷，可做到了大幅提升性能的同時(shí)降低成本，可作為三元鋰電池的“升級(jí)款”。
固態(tài)鋰電池采用固體電解質(zhì)代替了原來的電解液和隔膜，是新型變革性電池，目前尚處在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)向?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展的階段，可能在今后幾十年或者更長(zhǎng)時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。固態(tài)鋰電池大大降低了電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)，在安全性上有根本性的提高，同時(shí)還有望提升能量密度。華中科技大學(xué)教授黃云輝強(qiáng)調(diào)，“電池的安全關(guān)系到車輛的安全，我們?cè)谔嵘姵啬芰棵芏鹊耐瑫r(shí)一定要考慮它的安全性”。
一方面，鋰枝晶在固態(tài)電解質(zhì)中生長(zhǎng)緩慢且難刺透電解質(zhì)，避免了鋰枝晶生長(zhǎng)造成的短路現(xiàn)象；另一方面，固態(tài)電解質(zhì)熱穩(wěn)定性強(qiáng)，避免了隔膜熱變形造成的短路問題。此外，固態(tài)電解質(zhì)不可燃，一般不會(huì)引發(fā)類似傳統(tǒng)鋰離子電池有機(jī)電解液的劇烈燃燒甚至爆炸。
對(duì)于固態(tài)電池特別是全固態(tài)電池，由于采用固態(tài)電解質(zhì)，電池負(fù)極一般不采用鋰脫嵌型石墨，而直接使用金屬鋰負(fù)極，由于金屬鋰負(fù)極的超高比容量，可顯著減輕負(fù)極材料的用量，很大程度上提升了電池的能量密度；再加上固態(tài)電池可以簡(jiǎn)化封裝和冷卻系統(tǒng)，可以進(jìn)一步減輕電池重量，因此應(yīng)用于電動(dòng)汽車和電動(dòng)自行車后，不僅能顯著提升安全，還能有效解決里程焦慮。
但固態(tài)電池的開發(fā)和應(yīng)用面臨技術(shù)和成本等多重難題。
固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率比原來低1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，全電池的阻抗大，導(dǎo)致循環(huán)性能差。鋰電池的電極材料在充放電時(shí)會(huì)發(fā)生膨脹和收縮，固態(tài)電池也是這樣，液態(tài)電解液和電極接觸好，而固態(tài)電解質(zhì)和電極難以保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的接觸，這會(huì)增大電池的內(nèi)阻，影響電池性能。因此，不少企業(yè)選擇半固態(tài)電池或固液電池的發(fā)展路線，逐步減少電解液用量。添加部分固態(tài)電解質(zhì)成分的半固態(tài)鋰離子電池在安全性方面可望得到改進(jìn)，行業(yè)內(nèi)多數(shù)企業(yè)均在開發(fā)相關(guān)技術(shù)。
由于固態(tài)電解質(zhì)還存在離子電導(dǎo)率低、與電極材料的界面兼容性較差等問題，難以批量生產(chǎn)，加之固態(tài)電池的制備技術(shù)不夠成熟，目前還很難實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，即使有試產(chǎn)或小規(guī)模生產(chǎn)，也成本高企，制約了其規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
除了停留在鋰離子電池上想辦法，隨著鋰的資源制約問題越來越突出，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界將目光投向了其他二次電池體系，特別是——鈉。
鈉離子電池具有成本低、倍率性能好、低溫容量保持率高等優(yōu)點(diǎn)。特別是鈉的資源豐富、提煉相對(duì)簡(jiǎn)單，相比于價(jià)格高企的鋰電，成本優(yōu)勢(shì)明顯。鈉離子電池的能量密度雖不及三元鋰離子電池，但與錳酸鋰電池相當(dāng)，有望媲美磷酸鐵鋰電池，是一個(gè)很好的發(fā)展方向，未嘗不是一個(gè)好的發(fā)展方向。
目前，鈉離子電池還沒有規(guī)模應(yīng)用到電動(dòng)汽車或電動(dòng)自行車上。黃云輝提到，“現(xiàn)在鈉離子電池已經(jīng)在逐漸走向?qū)嶋H應(yīng)用，應(yīng)該會(huì)在兩三年內(nèi)在應(yīng)用方面取得突破性進(jìn)展?！蹦呓菀舱J(rèn)為，鈉離子電池的技術(shù)現(xiàn)在不是問題，問題是供應(yīng)鏈產(chǎn)業(yè)鏈還沒有形成，正負(fù)極材料均沒有實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。
但是紀(jì)冰卻認(rèn)為，在鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈成熟的情況下，鈉離子電池市場(chǎng)前景堪憂，“就好像我寫的鋼筆字挺好的了，今天突然說以后改成練毛筆字，我肯定不會(huì)改”。
制版編輯 | 松儀
