鋰離子電池的安全性

特斯拉汽車公司2017年消耗約20億個鋰離子電池。特斯拉Model S和Model X電動汽車（EV）均從18650電池獲得電能，該格式也為筆記本電腦和醫(yī)療設(shè)備供電。18650電池的直徑為18mm，長為65mm。與棱柱形結(jié)構(gòu)和小袋包裝相比，金屬外殼中的圓柱形電池堅固耐用，具有較高的指定能量（容量），但圓柱體很重，并且成簇的包裝密度較低。特斯拉汽車的電池組部署了7000多個電池，為了獲得所需的電壓和安培數(shù)，電池要串聯(lián)和并聯(lián)連接。圖1說明了流行的18650電池。

圖1：用于鋰離子電池的18650電池格式

電池的直徑為18mm，長為65mm。每特斯拉汽車的電池組使用了7000多個電池串聯(lián)和并聯(lián)連接。

特斯拉Model S的功率為90kWh，以瓦特小時計，是電動汽車中最大的電池；它還提供了兩次充電之間最長的行駛里程。相比之下，日產(chǎn)聆風(fēng)配備了30kWh的電池組；福特Focus EV的功率為23kWh，雪佛蘭Volt的功率為16kWh，對應(yīng)的行駛距離較短。一個90kWh的電池可容納足夠的能量，足以為一個典型的美國家庭供電近三天。但是必須給電池充電，這會嚴(yán)重影響電網(wǎng)。它們也很昂貴。僅EV電池就具有經(jīng)濟(jì)型汽車的價格標(biāo)簽。

鋰離子電池種類繁多，特斯拉選擇了高能鎳鈷鋁S模型的化學(xué)（NCA）。該電池由松下制造，額定容量為3,100mAh，比能量比大多數(shù)競爭者略高。NCA的其他優(yōu)點(diǎn)是高比功率，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁的加速和長壽命。與其他鋰離子系統(tǒng)相比，負(fù)極的成本較高且安全系數(shù)較低。圖2概述了蜘蛛網(wǎng)中電池的六個最重要的特性。

圖2：NCA蜘蛛網(wǎng)照片

NCA提供高比能量和功率，并具有長壽命跨度。制造成本增加和安全邊際降低底片。

由BCG研究提供

用于電動動力總成的電池需要高負(fù)載和長壽命，而NMC是另一種流行的鋰離子系統(tǒng)。NMC代表鎳錳鈷，還用于電動自行車，電動工具以及軍事和醫(yī)療設(shè)備。陰極可以包含三分之一的鎳，三分之一的錳和三分之一的鈷，但是也可以使用其他組合來滿足特殊要求。這些混合物降低了鈷含量，從而降低了原材料成本。圖3展示了NMC的特性。

圖3：NMC圖片

NMC具有良好的整體性能，并且在特定方面表現(xiàn)出色能源。典型的應(yīng)用是電動動力總成和便攜式設(shè)備。 NMC的自熱率最低。

由BCG研究部提供

另一種流行的用于動力總成的鋰離子系統(tǒng)是磷酸鐵鋰（LiFePO4）。它的優(yōu)勢在于使用壽命長和安全性高，但其容量卻比鈷基鋰離子系統(tǒng)低。另一個折衷方案是較低的標(biāo)稱電壓3.3V / cell，而不是其他鋰離子系統(tǒng)的常規(guī)3.6V / cell。圖4總結(jié)了磷酸鋰的屬性。

圖4：典型的磷酸鋰電池的照片

磷酸鋰的安全系數(shù)高，使用壽命長跨度，但提供適度的比能量并升高自放電。

由BCG研究部提供

鋰離子電池有了很大的改善。1994年，18650電池的容量為1100mAh，每只電池的制造成本超過10美元。2001年，價格降至2美元，容量升至1900mAh。如今，高能量密度的18650電池可提供超過3000mAh的電量，成本進(jìn)一步下降。但是，這并非沒有妥協(xié)。新的電池比舊的電池更精致，這會影響周期數(shù)。

一家瑞士高檔電動自行車制造商比較了舊電池和新電池。他們使用Panasonic和LG Chem的NMC 18650電池。車載電池管理系統(tǒng)（BMS）指示1000次循環(huán)后，額定為2Ah的早期版本仍提供了80％的輸出。然后是2.2Ah NMC，經(jīng)過1000次循環(huán)后，容量下降到70％。今天使用的現(xiàn)代3Ah NMC經(jīng)過1000次循環(huán)后下降到60％。應(yīng)該注意的是，新電池的終端容量仍然比舊電池高。3Ah電池在下降60％后仍保持1.8Ah，而2Ah電池在容量下降20％后僅保持1.6Ah。

EV電池必須具有八年保修。為此，新電池只能充電至80％，放電至30％。隨著電池隨著時間的流逝失去容量，許多BMS逐漸增加充電帶寬以維持相等的行駛里程。一旦以全帶寬工作，電池就會承受更大的壓力，這反映出加速的性能下降和減小的行駛距離。 

低溫會導(dǎo)致所有電池的性能下降?？嗬溥€會使充電更加困難，尤其是鋰離子充電，因為充電比放電更精細(xì)。在低溫下使用電池的能力不會自動允許在這些相同條件下充電。低溫下的無人駕駛充電可能會永久損壞電池。

鋰離子不得在零攝氏度（32°F）以下充電。一些電池制造商允許將充電電流降低到電池額定值的十分之一或0.1C，從而允許在低至-10°C（14°F）的情況下充電，一次充電需要12–15個小時。空電池。在低溫下充電太快可能導(dǎo)致枝晶生長，反映出較高的自放電并損害了安全性。

當(dāng)電池充滿電時，電池應(yīng)力最高為4.20V / cell。保持較低的電壓還可以在低溫充電期間保護(hù)電池，某些BMS會相應(yīng)地限制電壓和電流。許多EV電池均帶有加熱毯，以在低溫下充電時保護(hù)電池。加熱毯的能量很容易從電網(wǎng)獲得。

電動車車主想要超快速充電，并且可以使用技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。雖然方便，但快速充電對電池有害。盡可能避免充電時間少于90分鐘或充電速率高于1C。板載BMS記錄了嚴(yán)重的電池事件，歷史數(shù)據(jù)可能會違反保修要求。這是一家大型歐洲EV制造商的回應(yīng)，當(dāng)時在倫敦舉行的最近EV電池大會上出現(xiàn)了超快充電問題。

安全是另一個問題，但這適用于所有電池。20萬分之一的故障引發(fā)了召回事件這些電池的制造商索尼在2006年將近600萬個鋰離子電池中使用。索尼表示，在極少數(shù)情況下，微小的金屬顆?？赡軙c電池的其他部分接觸，從而導(dǎo)致短路，并可能導(dǎo)致起火。

鋰離子電池已經(jīng)得到改善，故障率降低到了十分之一。這令人放心，但特斯拉計劃消耗的20億批次中，每1000萬個的公式可能導(dǎo)致200個電池失效。故障率可能會進(jìn)一步下降，但是將一噸電池存儲在一個地方時要格外小心。電池制造商和在存放電池的倉庫中經(jīng)常發(fā)生火災(zāi)。

當(dāng)鋰離子電池暴露在惡劣的環(huán)境條件下時，人們所知甚少。內(nèi)部短路和快速拆卸是值得關(guān)注的，一旦發(fā)生安全電路無法停止的情況。故障發(fā)生在電池內(nèi)部，電池必須燒壞。

鋰離子電池可能是由于短路引起的故障，封閉在金屬外殼中的改進(jìn)型電池將在短期內(nèi)提供保護(hù)。所有電池都可能發(fā)生故障，并且還有報告的事件，由于鎳鎘電池過熱，必須拉動波音777的電池斷路器。1970年代初期，美國國家運(yùn)輸安全委員會（National Transportation Safety Board）每年報告幾次電池事故，涉及當(dāng)時飛機(jī)上新的鎳鎘船用電池。改進(jìn)最終使NiCd安全。鋰離子電池也會發(fā)生這種情況。

航空運(yùn)輸電池仍然是一個問題。有關(guān)于空運(yùn)中可以包含多少金屬（或等效鋰）的法規(guī)。某些內(nèi)容可能未經(jīng)注冊，阿拉伯聯(lián)合酋長國通用民航局可以合理地確定UPS 747-400貨機(jī)上的起火是鋰電池引起的。該飛機(jī)于2010年9月在飛往德國科隆的約一個小時后降落在迪拜沙漠中。

新的航空貨運(yùn)集裝箱正在使用可以承受長達(dá)四小時的烈火燃燒的材料進(jìn)行測試，從而可以在大多數(shù)航班上緊急著陸。這些航空貨運(yùn)集裝箱的防火面板由纖維增強(qiáng)的塑料復(fù)合材料組成，該復(fù)合材料通過剝奪氧氣來撲滅火焰。

自2008年1月起，人們無法再將備用鋰電池裝在托運(yùn)行李中，而在機(jī)艙中比在貨艙中容易著火。在允許使用滅火器的地方，航空公司允許其作為手提行李。在一次事件中，一個咖啡壺用作筆記本電腦電池的滅火裝置。提醒旅客，隨身攜帶的設(shè)備和備用電池可以帶多少電池。這還包括一次鋰電池，并且鋰（或等效電池）的最大重量為：

·鋰電池2克。如今，很少有消費(fèi)類產(chǎn)品使用這些一次電池。

·8克二次鋰離子。這相當(dāng)于一塊100Wh的電池（筆記本電腦大約有60Wh）

·所有鋰離子電池合計25克。這相當(dāng)于300Wh的鋰離子電池。

從2016年開始，鋰基電池將不再作為客機(jī)運(yùn)輸。此外，貨物中的鋰離子必須具有30％的充電率。除其他必需的標(biāo)記和標(biāo)簽外，所有包裹都必須貼有“僅貨運(yùn)飛機(jī)”標(biāo)簽。此限制不影響與設(shè)備一起包裝或包含在設(shè)備中的鋰離子電池。

在對鋰離子進(jìn)行安全性審查時，其他化學(xué)方法也存在問題。鎳和鉛基電池也會引起火災(zāi)，有的被召回。出現(xiàn)故障的原因是由于老化，粗暴操作，過度振動和高溫導(dǎo)致的隔板損壞。

在19年的時間里，檢查了113次記錄的空運(yùn)電池事件，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)故障是由于包裝或處理不當(dāng)造成的。罪魁禍?zhǔn)资前b不當(dāng)造成的電池組損壞和電氣短路。大多數(shù)事件發(fā)生在機(jī)場或貨運(yùn)樞紐。有問題的電池包括含有鋰金屬的初級鋰，以及鉛，鎳和堿性系統(tǒng)，而不僅僅是鋰離子。如今，現(xiàn)代消費(fèi)品幾乎沒有涉及鋰離子電池的故障。

參考文獻(xiàn)

Batteries International Magazine, Issue 90, Winter 2013/14

Portable Rechargeable Battery Association (PRBA)

Boston Consulting Group (BCG)

E-One Moli Energy (Canada) Ltd

National Transportation Safety Board

United Arab Emirates General Civil Aviation Authority

Batteries in a Portable World, Cadex Electronics: Isidor Buchmann

本文鏈接：http://m.brickellre.com{dede:field.arcurl/}

諾信新聞,諾信公司新聞,鋰電池行業(yè)新聞,展會新聞