来源：科普中央厨房 | 北京科技报
新媒体编辑/陈炫之
文/记者 何从 编辑/刘昭
近日，特斯拉、蔚来、比亚迪等品牌电动汽车接连发生起火事故。锂电池的能量密度和安全性该如何兼顾？全固态锂电池还有多远？
1、锂电池电解液是易燃溶剂，其中的锂还有正极材料中的镍、钴是活泼金属，暴露在空气中易燃烧。
2、圆柱形锂电池正极和负极间只隔一层微米级别厚度的隔离薄膜，遭受冲撞时容易破裂引发短路。
3、锂电池的能量密度和安全性存在天然矛盾，因为能量密度提升意味着采用更高活性的正负极材料，或降低隔离膜的厚度，这两项做法都将大幅增加电池的危险性。
4、全固态锂电池是未来的发展方向，但还需要较长时间的科研攻关。
近日，特斯拉、蔚来、比亚迪等品牌电动汽车在中国各地接连发生起火事件。
▲上海特斯拉自燃，火光瞬间照亮整个车库
▲陕西西安：蔚来ES8维修时起火 事故原因正在调查
▲武汉发生一起比亚迪e5起火事件，官方称电池无损坏
尽管特斯拉和蔚来汽车方面纷纷发布公告称“车辆起火原因尚未确认，会在后续及时对外公布调查结果”，但这很显然无法完全平息双方在品牌层面遭受的负面影响，由此引发的焦虑开始在业内和消费者中蔓延。
此次上海发生自燃的特斯拉型号为Model S P85，目前已经停产。这已经不是特斯拉汽车第一次发生自燃了，据不完全统计，截至目前，在全球范围内，特斯拉的电动汽车在行驶、碰撞和充电导致的燃烧、自燃及爆炸事故，已经发生超过50起，甚至被称为“烧车的冠军”。
频频发生的电动汽车起火事故，将电动汽车和动力电池的安全问题再一次推向了舆论的风口浪尖，为快速发展中的新能源汽车市场蒙上了一层阴影。为何电力汽车的电池屡屡“过火”？我们又该如何应对电动汽车电池的安全问题？
电池碰撞、静放电池短路等是主因
电动汽车起火事故中，大部分是因电池而起，包括交通事故碰撞、短路自燃等等原因。电动汽车的兴起源于锂电池技术的快速发展，在广泛应用于电动汽车之前，手机和笔记本电池燃烧爆炸的事故早已屡见不鲜，电池的潜在安全隐患似乎已经成为电力汽车前进发展的绊脚石。
电动汽车除了动力系统不同外，底盘、车身、内外饰等都与传统内燃机车型并无区别。电池是电动汽车的主要储能部件，直接影响到电动车的性能。在电动汽车上，一个个单个的电池芯组成电池，一定数量电池被组合到一起形成电池模组模块。
由于车辆上装载电池的空间有限，运行所需的电池模组数目也较大，电池会以不同倍率放电，并以不同速率产生大量热量，再加上时间累积及空间影响，从而导致电池组运行环境温度情况复杂多变。
对于具体电池起火的情况，清华大学汽车工程开发研究院常务副院长、汽车安全与节能国家重点实验室副主任宋健介绍，这一般是由于电池内部电解液及其分解产物被点燃造成的。
宋健介绍，从学术上来说，锂离子主要做两个运动，一个叫嵌入，一个叫脱出。不管是放电还是充电，锂离子都是从电池的一极跑到另外一极。“内燃汽车的油箱，仅仅是一个储存燃料的地方。而电动汽车的电池组不同，锂电池既是一个储能装置，又是一个化学反应的装置。电池在放电过程中同时进行着氧化反应，化学能转变成为电能，然后输出来驱动汽车电机。”
宋健指出，锂电池中电解液是用易燃溶剂配置而成的，锂电池的充放电过程，就是电解液中锂离子的运动过程。锂是一种活泼金属，电池内的锂如果暴露在空气中，就会与氧气产生激烈反应进而燃烧。
为了防止空气进入电池内部，汽车电池制造商一般会用多层外壳或塑膜来封闭电池，使得锂不会与氧气接触，厂商也会在电池包外壳包裹坚硬保护壳。不过，在电池内部又是另一番“脆弱”的环境。中国科学院院士欧阳明高指出，锂电池的正极氧化剂和负极还原剂之间只隔一层微米级别厚度的隔离薄膜。目前电动汽车厂商为追求高能量密度、高续航，会将电池中的隔膜厚度进行削减，给电池造成了一定的安全隐患。
宋健表示，自己在实验室做测试中就出现过隔离薄膜破裂的情况。“我们实验室的研究结果，模仿电动汽车发生剧烈碰撞的状况，电池在一定的碰撞冲击力和大气压强下，薄膜就会发生破裂，正极上的氧化剂就容易与电解液发生化学反应，电池的正负极就发生短路了，局部温度升高，就可能引燃电池的电解液。”宋健介绍道。
▲18650型锂电池电芯内部拆解示意图（图片来源：中关村在线）
电动车上的电池都是通过串并联成组工作，单个电池组（或电池包）发生热失控之后，局部释放的能量向周围传播，将可能引起周围电池的热失控。数千颗电池芯间引发连锁反应，终致电池组全面起火爆炸，释放巨大能量。所以在极端情况下，一个小故障就有可能会造成灾难性的后果。
鱼和熊掌不可兼得：能量密度和安全性的天然矛盾
当前，锂电池已与我们的生活越来越紧密，我们的手机、笔记本电脑里面都有锂电池。锂电池指的是电化学体系中含锂的电池，由正极材料、负极材料、电解液、隔膜材料四部分构成。因正极、负极材料不同，而被区分成不同种类的电池，如常用的正极材料有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂等，常用的负极材料石墨、锡基、硅基、钛基等。
在2016年Model 3型汽车发布前，特斯拉电动汽车采用松下提供的18650型号的钴酸锂电池，单颗电池容量为3100毫安时。特斯拉的MODEL S型汽车上的电池单元一共运用了约7千-9千节18650锂电池，特斯拉的工程师首先将这些电池以砖、片逐一分配组成电池包，然后平铺在车身底板上。
▲特斯拉model S型汽车的电池组，每辆车16组（图片来源网络）
早在1991年，索尼公司就发布了首个商用锂电池，同时索尼公司根据多年开发经验，综合考虑后定下了一种标准电池型号：直径为18mm，长度为65mm的圆柱形电池——也就是我们今天常说的18650锂电池。之后这种圆柱形的锂电池彻底革新了消费电子产品的面貌。小到充电宝，大到汽车，这种圆柱形电池无时不刻不在影响着我们生活的方方面面。
今天松下、三星、LG等厂商旗下的的电池工厂仍然在24小时不停地生产着这种有着近30年历史的产品。由于18650号电池的体积太小，无法通过工艺控制和原材料角度提高能量密度，降低电池成本，因而特斯拉从Model 3车型开始，使用增大体积的21700号镍钴铝三元锂电池，也就是直径21mm、长度70mm的圆柱形电池。
三元锂电池全称“三元材料电池”或“三元聚合物锂电池”。它指的以镍钴锰（铝）三元材料做正极材料，以石墨为负极材料的电池，所以称之为“三元”。
三元锂电池的最大优势在于电池储能密度高，续航能力强；其次电池寿命、输出功率、成本控制都不错，因此特斯拉、比亚迪等国内外汽车产商都纷纷选择采用。但其安全性却令人担忧，宋健指出，三元锂电池中的三元材料在达到一定温度时，会分解释放出极活泼的初生态氧，即使在没有外界氧气供应的情况下，电池本身就具备可燃物、助燃物和着火源的燃烧三要素。
三元锂电池中所含的镍钴锰（或铝）三种金属元素聚合物，在电池内部发挥了巨大的作用。镍、钴是元素周期表中副族中的活性金属，主要作用是提升电池的体积能量密度，是提升续航里程的主要突破口，要想电池让汽车跑得更远，那就势必要增加镍、钴在三元材料中的比值，不过也必须承担两者化学性质活泼带来的安全隐患，鱼和熊掌不可兼得。
“三元锂电池中使用热失控温度越低的正极材料，电池的安全性就越差。”中国工程院院士杨裕生曾发表文章，旗帜鲜明地反对大力发展三元锂电池。杨裕生认为，国家新能源汽车的补贴机制鼓励电动汽车搭载高能量密度电池，电池厂商为追逐利益，在缺乏科学性的情况下，才大力发展三元锂电池。
优势满满的全固态锂电池发展缓慢
电池被安装在空间有限的汽车里，其能量密度决定了电动车的行驶距离，目前电动车用的锂电池能量密度约为 120~150瓦时/公斤，根据《中国制造2025》动力电池发展规划：到2020年，国产电动汽车的电池能量密度将达到300瓦时/公斤，2025年达到400瓦时/公斤，到2030年达到500瓦时/公斤。
随着电芯和电池系统能量密度的进一步增加，保障动力电池系统安全的需求也会更加强烈，挑战和难度也将随之提升。十三届全国政协副主席、中国科协主席万钢也曾公开表示，在发展电池能量密度的同时，要将动力电池系统电-热安全作为电动汽车发展最关键的指标，从动力电池的单体模块、电池包、电-热管理以及结构布置等方面综合考虑，重视材料的稳定性、充放电机制、热失控防护和电-热管理系统。
▲特斯拉汽车的动力电池包采用的液冷结构散热方式（图片来源网络）
电池能量密度的跃进对于电池来说本身就是一场“赌注”，因为能量密度提升意味着需要采用更高活性的正负极材料，或减少隔离膜的厚度，两项做法都将大幅增加电池的危险性。
如何解决能量密度和安全性的矛盾？中国科学院院士欧阳明高接受媒体采访时候表示，全固态锂电池是未来电池发展的方向。他介绍，目前业内正在研究一种全固态电池，不会发生刺穿隔膜的问题。
欧阳明高院士强调，这个词的每一个字都不能少、不能变，所谓“全固态锂电池”是一种在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态，不含任何液态成分的锂电池。
全固态锂电池由于采用高热稳定性的固态电解质，代替了易燃的常规有机溶剂电解液，电池燃烧问题可以得到有效解决。搭载全固态锂电池的汽车，自燃概率会大大降低，可以说是下一代新能源汽车动力电池的理想对象。
不过欧阳明高院士坦承，真正意义上的全固态锂电池技术，现在仍然是不成熟的。“全固态锂电池的固态界面接触性是重要的技术难点，也就是电解质与电极之间形成高电阻界面问题，还存在技术不确定性，未来还需要较长时间的科研攻关。”
据悉，包括韩国三星、日本丰田在内的众多电池和汽车厂商，都加大了固态电池研发投入，目前已有部分电池进入测试阶段。宋健介绍，尽管前景可期，但由于技术和工艺上的种种问题，发展固态电池的道路还需要进一步探究。“目前在实验室中已经有全固态锂电池的样品出现，不过价格高昂，配备在汽车上，汽车的起售价动辄会上百万人民币。”
此外，就储能性能来说，全固态锂电池并非完美无缺，其最大的一个缺点就是高倍率放电性能极差，原因就是锂离子的固态扩散速度比在溶液里扩散慢得多。不过一旦前面这些问题能够有效解决，必将在未来掀起一场新的电池革命。
