高能量密度的电池确实存在热失控的风险

2019-04-29      1886 次浏览

4月21日晚,上海某小区一辆ModelS发生燃烧,幸运的是此次事故没有造成人员伤亡,但是大火拉上了旁边的奥迪和雷克萨斯“陪葬”,小区高层住户也被疏散。事发时间约为21日晚8时15分左右。而根据车主董先生对记者的讲述,事发时间距离他停车入库的时间,不过半小时左右。实际上,这已经不是特斯拉第一次发生自燃。2018年,重庆某小区地下车库中,一辆特斯拉ModelS在未充电、未被碰撞的情况下发生自燃,被物业及时扑灭;2019年3月,一辆特斯拉在广州某小区地下停车场发生燃烧事故。发生自燃的还不止特斯拉一家。2018年8月,成都一辆威马EX5在威马汽车研究院园区内发生自燃;9月,合肥一辆奔驰电动汽车起火;10月,北京海淀区一辆长安奔奔EV起火。


对此许多媒体进行了集中报道,不过看起来引发了特斯拉CEO的不满。4月24日,特斯拉CEO埃隆马斯克突然在推特连发4条推文吐槽媒体集中报道特斯拉自燃一事。他表示:“每年有超过100万台汽油车汽车发生火灾,导致数千人死亡,但没有一场像特斯拉汽车起火一样成为头条,为什么(媒体)要搞双重标准?这问题太真实了。”他还表示特斯拉起火的可能性要远远低于汽油车:“现实是,特斯拉于大多数电动车一样,起火的可能性比内燃机低了500%,这是因为内燃机携带大量易燃燃料,为什么没人提到这一点。”马斯克忿忿不平地说:“当你读到关于特斯拉的双标文章时,请先问一句为什么。”目前上海自燃特斯拉起火原因正在调查中,有专家表示是电池短路所致,不过特斯拉中国否认了这种说法,称调查“未形成任何初步判定或结论”。


一个公认的事实是,电池材料的能量密度越高,安全风险也就越高。但从消费者层面来讲,高能量密度代表着能够实现汽车的高续航能力。一般的镉镍电池为500mAh或600mAh,氢镍电池也不过800-900mAh;而锂离子手机电池的容量一般都在1300-1400mAh之间,所以锂电池充足电后使用的时间约是氢镍电池的1.5倍,是镉镍电池的3.0倍左右。特斯拉在电池设计、电芯上代表了比较高的水平,目前仍然出现了一些问题,这意味着高能量密度的电池确实存在热失控的风险。


阿联酋锂电池公交车(荷兰制造)


锂离子电池虽然存在着一定的技术缺陷,但是以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。锂电池广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统,邮电通讯的不间断电源,以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、特种装备、特种航天等多个领域。


2013年1月7日,一架日航从东京成田机场出发抵达波士顿洛根国际机场的波音787在波士顿洛根机场的停机坪上,机身后部的辅助动力电池发生过热,导致起火。机场消防队花了一个多小时才扑灭火焰。事后检查发现,不光电池和壳体严重损坏,泄漏的熔融电解质和炽热气体使得半米以外的机体结构也受到损坏。美国国家交通安全调查局(简称NTSB)的调查发现,局部钢结构有气化后冷凝的迹象,这说明局部温度有可能高达3000度。


9天之后的1月16日,另一架全日空的波音787从山口往东京成田机场飞行,起飞后不久即将达到巡航高度时,飞行员在驾驶舱内闻到刺鼻的烟味,仪表板上警告灯也显示电池故障。飞机立刻在高松机场紧急降落,所幸机上129名乘客和8名机组人员通过紧急出口和充气滑梯安全逃生成功。事后检查发现,前机身驾驶舱下电子舱里的主电池过热烧毁,壳体严重损坏。


日航和全日空立刻宣布所有波音787停飞,FAA也随即宣布所有美国注册的波音787停飞,这是1979年后FAA首次下令特定的民航客机停飞。在日本和美国相继停飞后,世界其他国家也迅速跟进。至此,全球波音787全部就地停飞,被迫散布在9个国家17个机场,其中最多的是东京成田,这里有日航和全日空的11架波音787。波音787的后续交付也全部停止。


波音787是全新一代的客机,FAA宣布停飞的时候波音刚开始交付才一年多。波音787代表了波音的未来,被誉为“梦幻客机”。波音787采用了大量新技术,机体材料有50%为复合材料(相比之下,波音777只有12%)。作为中型客机,波音787载客可达240-300人,巡航速度0.85马赫,航程则达惊人的14200-15200公里。波音声称油耗降低20%,噪声降低60%,70%为美国制造。由于波音的信誉和承诺,在波音787还没有首飞的时候,就已经接到超过800架的订单。


787的锂电池安装位置


除了低油耗的先进涡扇发动机和复合材料机体、机翼,波音787还是第一架高度电气化的客机,用电动系统完成很多传统上由液压系统完成的动作,并提供先进的机上环境和娱乐系统,改善旅客的体验。比如说,波音787的机窗不再使用传统的塑料拉板,而是使用电控改变透明度的液晶,用开关控制“开窗/关窗”。虽然高度电气化使得波音787上的用电量比传统客机大为提高,但是这些并不是机上电池来供电的,因为飞行中的用电是由发动机驱动的发电机提供的。机上电池只用于在地面和空中启动发动机,或者在地面发动机停车后提供地面辅助作业用电。换句话说,这对飞行是死重。为了以最小的空间和重量实现最大的蓄电量和放电电流,波音选用了先进的锂电池,这可以节约电池重量的30%。实际上波音787有两组锂电池,一前一后,各重约28.5公斤,各含有8个4伏的电池芯,串列后达到32伏电压,可提供75安培-小时的电力。而这两次电池起火都不在电池放电工作期间,日航787是在停机坪上“无所事事”期间,全日空787是在空中飞行期间,这和特斯拉在上海的着火事件有异曲同工之处。


烧毁的787锂电池


锂电池容易起火,笔记本电脑甚至手机里锂电池莫名其妙着火的事情多有发生。更有甚者,一架美国UPS的波音747-400F货机在装运锂电池时,货舱起火,在迪拜坠机;另一架韩国韩亚特种的波音747-400F在太平洋上空也遇到同样噩运。两次坠机前,机组在最后失去联系之前都报告机舱里发生浓烟烈火。锂的化学性质比较暴烈,而且一旦起火很难扑灭。锂电池在过度放电后,再次充电时会充不进去,电能不能转换为储藏的电化学能,反而转化为热能,造成电池过热。更糟糕的是,锂过热后有温度飞升的问题,也就是说,一旦温度达到一定程度,锂会自身产生热,导致温度进一步升高,直至起火。这个问题对于钴酸锂类型的锂-离子电池尤其严重,因为导致温度飞升的临界温度较低。


波音采用的正是采用钴酸锂的锂-离子电池,由日本GS-汤浅公司制造。应该指出,在前述锂电池起火导致货机坠机的事件里,那是锂-金属电池。锂-离子电池要安全一些,但依然有自身的安全问题。锂-离子电池为了提高效率,需要把电池芯紧密放置,这样一旦起火,很容易蔓延,发生连锁反应。另外,长期反复充放电后,金属锂会析出,成为细微的金属颗粒,时间久了,可能促成电极之间的短路。更糟糕的是,即使不在充电中,锂电池也有可能发生过热,甚至起火,起火原因经常不明。


波音787全面停飞后,波音紧急调集了300多工程师,分成10队人马,日夜奋战,集中攻关,力求尽快解决电池问题。三个月里,投入了20万小时的工作量。地面试验集中在6个星期里,累计60000小时。2月7日波音获得FAA特批,用一架预定交付中国南航的波音787从得克萨斯飞往华盛顿州的艾弗赖特工厂,稍后在华盛顿州海岸外空载飞行,用于科研和试验飞行。3月13日(一说22日),FAA批准了波音的初步修改方案。4月5日,波音用预定交付波兰LOT特种公司的第86架波音787验证最后修改方案,方案和试验结果得到FAA批准,此后FAA批准波音787复飞。


波音的修改方案为电池增加了很厚的保护外壳


波音的修改方案是多方面的。壳体得到极大的加强,增加隔离和耐热能力。电池芯之间的空隙增加,并增加阻隔层,降低连锁反应的可能性。接线和安装件加强防火能力,一旦发生火灾也不至于很快就被毁坏。充电系统进一步精细化,精确控制充电电压,防止过度充电。泄放管直接通向机外,不仅有效泄放有毒烟雾,还确保电解液受热膨胀后不会溢出到其他部分,引起连锁反应,而是把热源带出机外。最重要的是,新的壳体不光隔热,还阻绝空气。在波音的试验中,电解液被有意释放,壳体受到强烈加热,但由于缺乏空气,壳体内无法引起燃烧和温度飞升。即使在引入空气后,由于空间有限,而且后续空气无法进入,燃烧也只持续了200毫秒就熄灭了。修改使得重量增加了60公斤,基本上抵消了锂-离子电池相比于镍镉电池的重量优势。


电池的制造商日本GS-汤浅在调查期间也备受压力


波音787不仅是技术上的创新,还是生产管理上的创新。波音外包生产已经有日子了,每年外包生产耗资280亿美元,涉及全世界5400多个工厂,至少50万从业人员。电池风波可能使波音破费4-7亿美元,但这对于波音的帐面来说其实不是什么了不起的开销。问题是波音787采用外包件的程度大大高于以往,比如锂电池就是一级外包到法国泰利斯,二级外包才到日本GS-汤浅。大范围、多层次外包导致质量管理松弛,供应链漫长,技术改进的反馈机制迟缓。质量问题还没有从日航和全日空电池起火的原因中排除。换回镍镉电池可以避开很多锂电池的烦恼,但这不仅增加重量,还需要重新设计电池舱,以提供足够的空间,这是不可忍受的大动干戈。这样的修改需要FAA重新认证。锂电池修改导致的重量增加必将影响耗油。


2013年4月25日,美国联邦特种署(简称FAA)正式批准了波音飞机公司关于波音787电池的修改方案,这为波音787重返蓝天打开了大门。波音公司已经开始对已经交付和已经下线但尚未交付的所有波音787进行修改,并由FAA核实。以后交付的飞机将直接采用修改后的锂电池。4月27日,埃塞俄比亚特种公司的一架波音787从首都亚的斯亚贝巴起飞,两小时后安全抵达肯尼亚的内罗毕,标志着波音787恢复飞行,锂电池风波到此大体平息。当然,这不是一般的日常航班飞行,机上大部分乘客是波音和埃塞俄比亚特种公司的高官,还有大批新闻记者。


在整个电池风波里,空客一面警觉地注视事态发展,适时宣布改回镍镉电池,另一方面没有推波助澜,而是兔死狐悲地宣称“谁都会出问题,我们也不例外”。更重要的是,空客立刻赢得安全分,同时在锂电池最终成熟的时候,已经预留了换回来的空间和接口,到时候可以作为一个改进用在新型号上,或者作为升级用在已经交付的飞机上。


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