?扼制鋰電池熱失控的4個層面

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新能源車汽車的電池，是一個複雜系統。可以分3個層面簡單理解：

1. 電芯：正極材料、負極材料、電解液，構成了電芯。
2. 電池包：數百至數千個電芯，組合起來成了電池包，俗稱Pack。
3. 系統：加上感測器(眼睛與耳朵)測電壓、電流、溫度；用BMS(大腦)來思考決策；加上執行器(手腳)來控制開關，就成了系統。

自然而然地，電池系統的安全性也可從電芯、電池包、系統這3個層面來理解。

一、電芯層面的安全性

鋰離子電池的危險性，主要體現在熱失控，俗稱失火。關於熱失控的分類與機理，@姚昌晟 曾有詳細論述：特斯拉自燃的幕後黑手——說說鋰電池熱失控。

簡單地說，汽油再牛逼，燃燒也依賴氧氣；而鋰離子電池不一樣，封閉空間中既有還原劑又有氧化劑，不需要外界空氣就可以充分自燃 —— 燃燒，是鋰離子電池的固有癖好，我們必須阻止它。

或者，也許我們可以選用那些更為穩定、不易燃燒的電芯？一般來說：

• 磷酸鐵鋰(LFP)比三元鋰更穩定。
• 在三元鋰中，鎳鈷錳酸鋰(NCM)比鎳鈷鋁酸鋰(NCA)更穩定。
• 在NCM中，NCM622比NCM811更穩定。

天不如人願的是，能量密度越高的電池，越不穩定。正如張無忌的媽媽所說，漂亮的女人都更會騙人。

若天意如此，我們只能儘力而為。在電池原理上未有突破的情況下，我們短期能做的就是儘可能地提高電芯穩定性、安全性。

大牛博士馮旭寧，曾在他的博士論文[2]中概括過主要思路：

• 正極材料：對正極材料進行摻雜和包覆[3]，或金屬原子替代的方式[4]來以提高正極材料的熱穩定性。
• 負極材料：對負極材料進行包覆[5]，或通過電解液添加劑提高負極SEI膜的穩定性[6]。以及採用新型負極，如鈦酸鋰(Li4Ti5O12, LTO)負極[7]，合金負極[8]等材料提高負極的安全性能。
• 電解液：對於電解液採用阻燃添加劑，將液體電解質換成固體聚合物電解質，採用離子液體，電解質鹽的替代等方式提高電解液熱安全特性，也可以通過在電解液中採用過充保護添加劑來提高電池抗過充的能力。
• 隔膜：採用高安全性隔膜，通過陶瓷包覆等手段，降低隔膜熱收縮率、提高隔膜崩潰溫度[9].
• 保護裝置：某電芯企業設計了針刺安全保護裝置(NSD, Nail Safety Device)與過充安全保護裝置(OSD, Overcharge Safety Device),來降低針刺與過充下熱失控的可能性。

總之，在電池往高能量密度前進的道路上，如何提高電芯穩定性、安全性，是一個涉及到材料學、電化學的問題。對於一名汽車工程師來說，透徹理解材料與電化學很困難，若您還是有興趣，推薦去看專家 @土豆泥 的文章，例如：土豆泥：如何評價法拉第未來 FF91 的首輛預產車下線？。

二、PACK層面的安全性

如果說電芯層面是在關注電池本身的特性，那麼PACK層面則重在關注電池與環境的關係，包括加熱、擠壓、針刺、浸水、振動等等。

PACK層面的安全性，主要由國家/國際標準來保證。

• 國家標準：如GB/T 31485-2015，GB/T 31467.3-2015，GB/T 31498-2015等。
• 國際標準：國外相關的標準包括ISO 12405-2014，IEC 62133-2015, UL 2580-2010，SAE J1929-2011，JIS-C 8715-2-2012等。
• 核心：以GB/T 31485-2015，IEC 62133，SAE J2464為核心。

註：這些測試標準，其實不僅測了PACK，也測了單體。所以，上述「電芯層面」與「PACK層面」的分類僅是為了科普方便，並不嚴謹，也許以「電池特性」、「電池與環境的關係」劃分更好。

為了給大家一個直觀的印象，下表是各標準的一個簡單對比：

為了滿足嚴苛的測試標準，需要在機械與電氣方面做一些安全設計：

• 機械安全設計：防護結構、防水設計、防呆設計、防火阻燃設計等。
• 電氣安全設計：接觸防護、外短路防護、過流保護設計、高壓互鎖檢測、絕緣檢測等。

總體上來說，在PACK層面的國標挺全面、挺嚴格的，國內的電池包，能過國標測試的，都是英雄好漢。

然而，由於電池包並沒有年檢規定，三五年之後，老化的電池包是否還滿足國標呢？那是另外一個故事了。

三、系統層面的安全性

電芯組成了電池包，雖然可以抗得住水火等各種嚴苛測試了，但它仍然是一個死物。

BMS，則賦予了它耳目(感測器)、大腦(決策)、手腳(執行器)，才能為新能源汽車提供功能。功能分兩大類：

• 本職功能：例如，輸出與接收能量(從而驅動車輛行駛)，為是電池的基本功能。
• 監控功能：例如，國家標準GB/T-27930在規定非車載充電時電池管理系統與充電機的通訊協議時，就設計了過流、過壓、通訊中斷等故障下的安全措施，實際上就是電池系統的一種安全監控設計。

如果對自己、對充電樁的本職功能特別有信心，這些「非本職功能」可以不做，車也能充電、能行駛。當然，沒有任何廠家會有這樣的盲目自信。

這些安全監控功能做得是否充分、是否全面，就決定了電池系統應對故障、將熱失控扼殺在搖籃之中的能力。因為熱失控常常發生在滿電、過充狀態下，所以特別關鍵的環節就是充電，已經做成了國家標準GB/T-27930。

四、還有第4個層面嗎？—— ISO26262與功能安全

請大家思考一下，若電芯、PACK、系統3個層面都做到位，還有哪些可能導致熱失控呢？

• 不可抗力：惡劣的交通事故導致電池劇烈變形；新能源車駛入大火；駛入水中浸泡1個月；去街邊小店隨意拆卸……
• 老化：上文已提到，由於沒有年檢，所以有可能出廠時還是金剛葫蘆娃，三五年後就成了年邁的老爺爺了。

思來想去，這應該是最主要的兩個因素了吧。

然而，調查結果卻是大跌眼鏡：如今已經2018年了，充電事故依然佔據近1/3的比例，這還是國家專門針對充電環節制定了標準的情況下。

是無良廠家無視國家標準嗎？並不是，大多數廠家是規規矩矩按照GB/T-27930來設計的。那為什麼按標準做，還是會出事故呢？

原因很簡單：任何硬體都可能會失效；任何軟體都是人寫的，是人就可能犯錯誤。具體來可能是：

• 系統架構不合理 ：對外部系統有依賴、所設計的架構開發難度過高
• 可靠性未達標 ：硬體的可靠性未達到相應風險的嚴格程度
• 開發流程不合理 ：軟體開發流程、開發人員資質、測試驗證的獨立性

美國國家工程、耗材數十億美元的挑戰者號都可能失事，更何況十幾萬、幾十萬一輛的汽車呢？

針對此情況，航天領域的對策是： 不惜代價保證硬體的可靠性；不惜代價保證軟體的可靠性。

汽車也是複雜工程，與航天很相似，也有不同：

• 相似點在於：汽車也想提高硬體與軟體的可靠性。
• 不同點在於：汽車不能不惜代價。

不讓馬吃草，又想馬兒跑……

於是，汽車領域使用了略有不同的思路：

• 在成本可控的情況下，儘可能地提高可靠性。
• 若可靠性保證不了，則需要在故障發生時，保證人身安全(駕駛員、乘客與車外的人)。

這就是所謂的第4個層面：功能安全(function safety)。注意，功能安全並不是「保證功能是安全運行的」，則是「在功能失效的情況下保證安全」。

為了方便大家理解，舉個例子。

大家都知道，「不踩油門但車子瘋狂加速」是一件很危險的事情，大家評一評，下面兩種方案，哪種更適合汽車呢？

• 採用航空級的晶元，保證永遠不會發生「不踩油門但車子瘋狂加速」的情況。
• 採用汽車級的晶元，儘可能避免「不踩油門但車子瘋狂加速」的情況；並做診斷設計，保證一旦這種情況發生，立刻中斷動力(譬如斷開電池)並提示駕駛員靠邊行駛。

國際標準ISO 26262與國家標準GB/T 34590，規定了功能安全工作的開展方式。這是一個大話題，限於篇幅不再展開。若有興趣，可以看 @木城 這個科普：知乎用戶：ISO26262 中 ASIL 與 DFMEA 有什麼區別？

功能安全在國內開展的如何了？ 剛剛起步，穩步進步。

結語

個人淺見，電池的安全性，需要從電芯、PACK、系統、功能安全這4個層面去考察。

以一個比喻，作為本文的結尾：

• 在不出意外的情況下：電芯是細胞、PACK是骨骼、系統是神經系統，這3個層面就構成了完整的功能。
• 而凡事皆有意外：第4個層面的功能安全，則是善於反省來規避錯誤、凡事都要有Plan B、危機情況果斷止損的思維習慣。

參考文獻

[1] Feng X, Ouyang M, Liu X, et al. Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review[J]. Energy Storage Materials, 2017.

[2] 馮旭寧. 車用鋰離子動力電池系統熱失控機理、建模與防控研究[博士學位論文]. 北京: 清華大學, 2017.

[3] 楊占旭. 高安全性鋰離子電池正極材料的製備及性能研究[博士學位論文]. 北京: 北京化工大學, 2009.

[4] Zhou Fu, Zhao Xumei, Jiang Junwei, et al. Advantages of simultaneous substitution of coin Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 by Ni and Al [J]. Electrochemical and Solid-state Letters. 2009, 12(4): 81-83.

[5]Jung Y S, Cavanagh A S, Riley L A, et al. Ultrathin direct atomic layer deposition on composite electrodes for highly durable and safe Li‐ion batteries [J]. Advanced Materials, 2010, 22(19): 2172-2176.

[6] Zhang S S. A review on electrolyte additive for lithium-ion batteries [J]. Journal of Power Sources, 2006, 162(2): 1379-1394.

[7] Yao Xiaolin, Xie Song, Chen Chunhua, et al. Comparisons of graphite and spinel Li1.33Ti 1.67O4 as anode materials for rechargeable lithium-ion batteries [J]. Electrochimica Acta, 2005, 50(20): 4076-4081.

[8] Chan C K, Peng Hailin, Liu Gao, et al. High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires[J]. Nature Nanotechnology, 2008, 3(1): 31-35.

[9] Shi Chuan, Zhang Peng, Huang Shaohua, et al. Functional separator consisted of polyimide nonwoven fabrics and polyethylene coating layer for lithium-ion batteries [J]. Journal of Power Sources, 2015, 298: 158-165.