电动车连环起火“沉思录” 高镍电池如何跨越安全门槛?

来源:gasgoo.com作者:李根 高工锂电网2018-09-07 09:44
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导语

接连频发的电动汽车起火事故,让动力电池的安全问题又一次推到了舆论的风口浪尖。

接连频发的电动汽车起火事故,让动力电池的安全问题又一次推到了舆论的风口浪尖。

高工锂电初步统计,就在过去的短短一周之内,已经接连发生近10起电动车起火事件,而进入2018年以来,国内大大小小电动车起火事故已经超过50起,涉及客车、物流车、乘用车等不同车型,且有不断蔓延增长的趋势。

8月19日,深圳龙华区观澜中心花园附近,一辆纯电动微面发生起火燃烧;8月25日位于成都的威马研究院园区内,一辆威马EX5电动车突然起火自燃;8月26日晚,安徽铜陵市一辆安凯纯电动公交车爆裂起火自燃;8月31日,广州市一辆力帆650EV纯电动轿车起火自燃;9月4号深圳市平湖华南城附近一辆纯电物流车起火自燃……

不仅是在国内,国外类似事件也正在增多,这其中,最受关注的就是特斯拉,今年3月,美国一辆ModelX撞车起火,结果导致一名苹果工程师死亡;今年5月,还是美国,三名青少年驾驶一辆ModelS发生车祸,汽车起火,导致2死1伤……

必须正视的是,全球电动化的大趋势下,安全隐患已经成为全行业无法绕开的一个“不定时炸弹”。

就在上周召开的泰达汽车论坛上,中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高一针见血的指出,纯电动车面临的最大风险,就是电池安全性。

事实的确如欧阳明高所言,从国内来看,受到政策“指挥棒”导向,能量密度成为动力电池企业的一致追求,进入2018年,更高能量密度的高镍体系材料导入正成为主流企业的共同选择,而如何在导入新体系时,把控好安全这个大前提,是动力电池企业的“头等大事”。

“从全球的大趋势来看,尽管高镍体系已成为一致共识,并且日本松下的NCA圆柱18650电芯在特斯拉上已有批量规模化应用。但是像三星、LG这样的企业,有意放缓其高镍产品的量产时间表。这背后释放的一个潜台词是,在高镍体系之下,安全问题依然还没有被完全攻克,这需要全行业保持警醒。”广东迈纳科技有限公司(下称“迈纳科技”)总经理刘桥向高工锂电如是判断。

梳理分析接连发生的电动汽车起火事件,大部分原因都指向了电池,而对于电池热失控的原因进行追溯,则包括过热、过充、内短路、碰撞等关键因素,涉及到电芯级规格选型、材料控制、生产制造品质控制、模组及pack级的安全防护、使用环节操作等多个层面的原因。

对于电池企业而言,要保障电池安全,首先应该关注的是防范因内短路触发热失控,这其中,最为关键的是要从材料、工艺、制造环节来规避因为电池制造杂质、金属颗粒、充放电膨胀的收缩、析锂等造成的电芯内短路。

而作为电池制造的第一个环节,正极材料的选择最为关键。

“核心材料的选择对于最终的电芯产品安全会直接产生影响。”刘桥向高工锂电介绍,电芯的安全很大程度上取决于核心材料,尤其是对于高镍三元体系而言,正极材料的金属异物含量、残余锂以及PH值,会对电芯的安全性能影响非常大。尤其是风头正劲的软包电池,高镍化应用除了生产环境湿度控制(Rh小于10%)外,对材料的残留锂/PH值/金属异物控制要求会更高。

首先,正极材料的金属异物含量越高,电芯自燃安全性风险就越高。但事实是,国内很多正极材料及电芯厂家并没有形成一种标准化的流程和方法来监测金属异物,很难对材料中金属异物含量进行真实性地评价。

据了解,正极材料中的金属异物一般分为磁性金属粉、非磁性金属粉、弱磁性金属粉三类。

其中,磁性粉(Fe)是引起电芯自燃的主要原因之一。国内的材料厂主要是通过除铁器去除Fe杂质,但实际上仅采用除铁器的方法控制材料中残余Fe的含量是不够的,像含氧化铁弱磁性粉就很难管控好。

另外,Cu、Zn等非磁性金属粉也是引起电芯自燃的重要原因。而非磁性金属粉混入正极材料中,材料厂和电芯厂是无法检测出的,且Cu、Zn等非磁性金属粉在电芯使用循环过程中一定会产生枝晶。由于枝晶逐步生长刺穿隔膜从而导致正负极短路,电芯内部急剧发热从而导致发生燃烧起火。

同时,弱磁性金属粉也是引起电芯自燃的主要原因之一。在正极材料当中,国内的材料厂家能截留住的并不多,譬如含铁弱磁性金属粉的含量是很难检测出。

除了金属异物,正极材料的残余锂也是引起电芯安全热失控不可忽视的因素,正极材料的残余锂在偏高的情况下,会造成电池厂在匀浆的过程中出现果冻状等不利因素而影响料浆涂布,且残余锂在电芯的循环使用过程中,会增加副反应发生的程度。

同时,正极材料中的碳酸根离子含量在偏高的情况下,对电芯的高温储存、高温循环方面有不利影响。碳酸根离子在电池高温循环过程中,部分会分解产生二氧化碳气体,从而造成电池内压增大甚至发生气胀乃至爆炸。

对比国内外企业对于上述几个环节控制的关键指标来看,GGII的结论是:国内主流企业都还面临不小的问题,与日韩企业还存在明显的差距。

刘桥介绍,从松下、三星、宁德时代等国际高端客户的需求来看,在保证容量与循环等基本性能的情况下,其对于核心关键指标也有严格的要求,譬如残留锂需要控制2000ppm以内,PH值11在以内,金属异物在20ppb以内。然而,国内的现状是,大多数材料厂家:残留锂指标可能超过3000ppm,PH值指标在11.6左右,金属异物指标超过100ppb,尤其对于高镍三元动力级材料,国内材料厂的指标基本上无法满足客户的全部要求。

也正是看到目前国内的材料环节存在的现实瓶颈与难题,刘桥于2016年筹建了迈纳科技,拥有一支技术积累深厚的高镍三元材料产业化技术合伙人团队(具有中/日/德背景),团队成员均有丰富的产业化研究和实践经验。公司的发展目标是致力于成为国内高端锂电材料供应商,为客户合作定制开发高镍三元材料产品,满足客户在性能、成本及供应上的要求,特别是对材料安全性能的要求。

高镍体系电池的产业化,材料是第一步,而材料安全则是迈开第一步必须要解决的一道坎,这也是迈纳科技参与市场竞争的核心利剑。

刘桥介绍,基于团队成员在锂电领域多年的产业化经验,对标日本技术工艺,从材料的厂房设计、设备选择、工艺控制上提出了针对性的解决方案,以此确保材料的真正安全性,性能最佳。

(1)厂房定制-正压+无尘车间

通过防潮解处理,正压车间设计,人流物流分离等进行异物控制。

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(2)特殊处理-关键设备全部定制

通过对窑炉等关键设备进行定制和原材料预处理,能够确保氢氧化锂和前驱体在高温窑炉中能够更完全地参与反应,从而使材料表面残余锂达到更低水平。

(3)独特的水洗工艺

在工艺控制上,其采用了独特的水洗工艺,将水洗过程中水分对材料的破坏程度做到最小,容量与循环性能最大限度地保持,而又能显著去除材料表面残余锂,能够将材料的残余锂总含量控制到1500ppm水平以内,PH值控制在11以内。

(4)金属异物管控技术

在金属异物的管控上,迈纳科技的思路是,以外部不引入,内部不产生的原则进行管控。创新性地设计正压无尘车间,严格控制工厂内部人流和物流分离。采用更合理的生产工艺流程,且对关键设备进行定制,可将材料的金属异物总含量控制到20ppb以内。刘桥表示,对于非磁性金属粉导致的电芯燃烧,我们在材料环节是可以杜绝的。

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总而言之,迈纳科技通过自己独特的核心技术工艺,在满足材料本身容量,循环等基本指标情况下,能显著降低材料的残余锂含量与PH值,并将金属异物含量控制到非常低的水平,确保材料的真实性评价与批次稳定一致性。

基于上述思路和产业化的经验,截至目前,迈纳科技小试阶段材料样品已达到国际领先水平。客户测试数据显示,其样品制备的半电池在0.1C,2.75V-4.2V情形下,克容量可达210.8mAh•g-1;全电池在25℃常温循环560周的容量保留率为95.8%,材料循环寿命在2200周(80%保留率);45℃高温循环540周的容量保留率为87.7%,材料循环寿命在850周(80%保留率);-20℃低温,0.5C放电时,其容量保持率70%。

高工锂电获悉,目前,迈纳科技正在进行融资,且与项目落户地区政府已达成初步合作协议,在浙江筹建一期年产8000吨动力锂电NCM811/NCA正极材料产线。

“高镍时代,安全将始终是车企和电池企业必须时刻警醒的达摩克里斯之剑,从材料-电芯-模组-pack-车,每一个环节的疏忽都可能导致不可挽回的损失,而作为正极材料企业,在材料端保证原材料的安全,消除影响安全的不利因素,同时保证产品性能,这将会成为高端电池企业选择供应商的核心考量因素,迈纳科技信心十足。”刘桥自信的表示。

编辑:王曙光
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