电池研究院：新能源汽车为何总是自燃？

　　【太平洋汽车网 技术频道】新能源汽车蓬勃发展的这十年，逐渐变大的基数带来了更多新能源汽车着火事故被报道出来，新能源汽车安全形势日趋严峻。

　　真问真答：平时停车，你会刻意停得离新能源车远一点吗？

　　为何新能源汽车自燃是只薛定谔的猫？本文解答不了所有难题，但可以为你揭开最浅的那层迷雾。

　　2013年10月，一台特斯拉Model S蹭底之后，车载系统发出警告（蹭底后45-60秒），车主及时逃离（再过数秒），车子很快就烧没了（离车120秒后），特斯拉股价跌6%（这时抄底特斯拉美股特别爽）。

　　在新型锂离子电池陆续装备新能源汽车的产业起步阶段，每一次电池自燃事故都能成为海内外新闻热点，对新能源车的不信任从未消停（塞麦尔维斯反射 Semmelweis Reflex），群众抵制的呼声更随着国家推广新能源汽车的热情而变得更加“叛逆”。

　　笔者同事买了一台蔚来ES6，隔壁车位的业主担心自燃，“疑似”动用私人关系让片区警察上门进行处分（此警察宣称全广州市都不允许装地库充电桩）并强制要求拆卸，后因现场视频素材被网络曝光，“疑似”违法动用关系的隔壁车位业主才终于消停。

　　我们可以说某些群众是愚昧的，某些公仆是可以被XX的，但事情根本原因依然是消费者对新能源车（准确来说是动力电池）的不信任。

　　电池是一个比较复杂的储能装置，笔者最近想到一个类比，就是大家小时候用的镀银保温瓶，类比如下：

　　1、保温瓶里头的水有很多能量，我们看作是电能。

　　2、保温瓶可以反复填充和使用，二次电池亦是如此。

　　3、保温瓶和电池都很脆弱，怕冷怕热怕撞怕，还死重。

　　4、保温瓶内胆只要碎一个口就会整体毁灭，电池烧一个就很容易火烧连营，损控很难做。

　　5、保温瓶和电池的工业化制造都是很精密的（对应各自时代的工业水平），保温瓶一开始很贵，宋代皇帝赐给公主的嫁妆就是保温瓶（民族爱瓶传统），后来大幅降价飞入百姓家，电池也是如此。

　　6、保温瓶会自放热，保温时长有限，电池也有自放电率。

　　电池热失控（Thermal Runaway），造成的破坏将是毁灭性的。根据清华大学动力工程及工程热物理学博士 @姚昌晟 老师的描述：由100节带电量100Ah的电芯组成的电池组，失控能量达到240000000J，合57公斤TNT炸药。所以一旦我们说电池“TR”了，基本上就可以贴这张图了。

　　正因为对新能源车这种新鲜事物的抗拒（人之常情）、媒体/自媒体只爱报道新能源车自燃（汽柴油车自燃成不了新闻热点）、好事不出门坏事行千里（完全不懂新能源车的大叔大妈的茶余饭后话题）、动力电池技术的确不够争气（客观事实），新能源车才会成为众矢之的。

　　不过，大家大可不必过分担心，新能源乘用车的着火率正在逐年降低，2019年是万分之0.38，2020年是万分之0.18。此外还有两个要点要提的：商用车的标准更低，质量更差，电池总能量更高，烧起来更可怕；新能源累计产量不足5万辆的小车企（按接入车辆计算），着火率是超过10万辆的大车企之5倍。

　　六成新能源车着火事故是电池本身热失控引起的，三成是充电事故，只有3.6%左右是因为行驶事故中的撞击。

　　热失控的机理（学界一般称为“滥用”）可分为物理和电化学两大方向，为了让读者更好理解，笔者把它分得更细一些：

　　这是最不讲武德的物理攻击，将一根导体（比如直径3mm钢针）插入动力电池中，正负极直接短路，热失控速度超快，几乎是瞬间就开始对外喷射火焰。

　　穿刺的机理是内部短路，这种情形就像潜水艇在水下被物理击穿，除了全员殉国之外就没啥其他可能性了。

　　自2021年1月1日实施的动力电池安全新国标GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，并未引入穿刺试验，现有的试验则分为几类，其中电池单体进行过放电、过充电、外部短路、加热、温度循环、挤压试验，电池包或系统进行振动、模拟碰撞、挤压、湿热循环、浸水、热稳定性、温度冲击、盐雾、高海拔、过温保护、过流保护、外部短路保护、过充电保护过放电保护试验。

　　虽然怎么都找不着穿刺试验，但之前就有自媒体给比亚迪磷酸铁锂刀片电池（CTP）做了一个，最终没起火，只是煮熟了鸡蛋。被打脸的宁德时代此后也发布了新款的安全电池，声称“只冒烟不起火”。

　　这种有益车主安全的军备竞赛多多益善。

　　内部短路很好理解，就是单体电池里头的正负极短接了，相当于自杀。自杀也分为快速自杀和慢性自杀两种，穿刺其实是内部短路当中的快速自杀，最凶险的一种，立即有报应，直接毁所有。

　　慢性自杀的内部短路就要提到最近两年我们才更多谈起的“锂枝晶”，其实这个问题已经困扰电池界数十年了，关于它在锂离子电池中的形成原因，笔者分几步讲讲：

　　1、液态电解质的锂离子电池在首次充放电时，电极材料和电解液在固液相界面上发生很复杂的反应，形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层，其中负极上的SEI膜（Solid Electrolyte Interphase）对电池的影响更大。这层SEI膜具有有机溶剂不溶性，是电子绝缘体所以e^-过不了，同时是良好的离子导体所以Li⁺很愉快地过去了。

　　2、SEI功劳这么大，结果就是有一种叫“锂枝晶”的东西要毁掉它。当锂离子在负极表面不均匀沉积就会成为锂枝晶的反动小团体（析锂效应 Li Plating 造成的 锂转化 Conversion），最可怕的是它还会继续不均匀生长下去，变得更长、更粗、更尖，“雨后春笋”一般。

　　3、当春笋长到一定程度，就会自然收割（靠近负极部位溶解），锂枝晶脱离电极，成为失去电化学活性的“死锂”，电池容量降低。

　　4、降容还只是最小的事，大不了充电频繁一些。最无语的是这些锂枝晶还会刺破电池SEI隔膜（有学说否定这个说法），内部绝缘状态被打破，内部短路，自燃，释放小宇宙，进而火烧连营。

　　P.S. 锂枝晶生长的速度与Li⁺偏移速度正相关，所以快充更容易生成锂枝晶，电池循环次数多则有更多锂枝晶（老旧电动车更容易自燃）。

　　P.S. 锂枝晶是一个很大的话题，之后再另辟长文展开，夏至前写出来（反正我又没承诺哪一年夏至），保证不太监。

　　快充之所以快，就是强行使锂离子快速从正极嵌出并嵌入负极，增大锂离子的流量与速度。强扭的瓜不甜，快充会影响SEI的稳定性，还会在短时间内带来比较大的发热量，发热也不均匀。

　　这时候我们要提一下电池领域的三个温度：T1 自生热起始温度、T2 热失控引发温度、T3热失控最高温度。T2是一个很关键的温度，其机理在学界还没研究透彻（摘自欧阳明高院士演讲稿）。

　　当然，因为有冷却系统的存在（风冷或者液冷），且电池换能效率特别高（热效率高于95%不少，不像内燃机那么弱鸡），电池没那么容易到达T2。

　　这时候最魔幻的事情来了：析锂效应可以大幅度降低T2。

　　配合“快充让电池发热量高且不均匀”这一条，电池内部一不小心到达T2热失控引发温度，完犊子了。

　　充电过程中，Li⁺从正极化合物脱出到达负极晶格，正极处于高电位的贫锂态，负极处于低电位的富锂态。为了平衡电荷，相同数量的e^-从负极脱出，嵌入正极。放电过程，反推即可。

　　如果过充电（over charge，充满了还继续充），就会有过量的Li⁺嵌入负极，正极则因为Li⁺的过度脱嵌导致结构崩塌（发热+氧释放），氧气的释放还会进一步造成电解质分解，电池内部压力增加，热失控风险大增。

　　小时候玩四驱车的时候，多数小朋友都会选择过充电，以此获得更好的比赛成绩。只是过充电之后，镍氢电池的内部结构会崩塌，最终“爆浆”。

　　另有研究表明，过放电过程中负极的温度始终高于正极，当内部短路出现时，热量在绕卷中积聚，进而增加热失控风险。

　　很多朋友应该遇到过，智能手机和笔记本电脑的锂离子电池用到3-7%左右，系统会自动关机/进入待机状态。这是系统在防止电池过放电（over discharge，低于门限电压继续放电）。

　　如果过放电发生得过于剧烈，最低电压的那节电池就会发生“反极”（类比成泰国变性？），这节最弱小无助的电池会被其他串联电池进行反向充电，电压是负值，活性物质结构崩塌，等效成一个电阻，异常发热，Game Over。

　　这里统一说四种类型的滥用，都是外部环境给电池包的物理攻击，以下描述一下GB 38031-2020会对受测试电池包做什么：

　　1、振动：SOC 50%以上，根据标准频率在x、y、z方向各振动1小时，模拟车辆颠簸。

　　2、挤压：测试方式是挤压整体尺寸的30%，模拟车辆被受力挤压。

　　3、碰撞：整车质量3.5吨一下的受测试对象，x方向加速度最大28g，y方向最大15g，模拟车辆被碰撞。

　　4、火烧：0℃下，用汽油火盘给预热60秒、直接烧70秒、隔着耐火隔板烧70秒（或继续直接烧60秒）、静置观察2小时，模拟车辆被火烧。

　　以上四种工况，都是行车途中可能遇到的，其中车辆颠簸最常见，如果电池本身机械性能太菜，或者模组造得不结实，均有一定风险，当然这种可能性很低，之前有新能源车因线束固定不牢固被召回也不是电池包内部线束。

　　挤压、碰撞、火烧都是车辆碰撞中可能衍生的滥用，有可能造成电池结构崩塌、SEI膜撕裂、电解液泄露、内部短路等问题。

　　初中时候我们学过外部短路，正负极在电阻非常小的情况下连接成通路，因为I=U/R，所以电流过大，热量过多，电池受损。平时我们手握5号电池正负极，电池不会因此完蛋，是因为人体电阻有100000Ω那么大。

　　在国标的试验中，电池要在仅仅5mΩ的外部线路中短路10min，通过了才能上市销售。

　　造成外部短路的原因有很多，除了刚刚说到的碰撞，还有导体污染、浸水等。其中浸水是个很大的问题，2012年美国Fisker有16俩Karma就是因为在纽瓦克港被飓风Sandy次生的海水倒灌淹到了顶，随后自燃成了废铁。谁说水火不容的？电池能让水灾转身变火灾……

　　浸水还会让BMS失效，电控失效之后，就如航母被打掉了舰岛，接下来发什么神经你也别太惊讶，一切皆有可能。

　　外部短路的祸首是热量，所以在达到T2之前掐掉短路，或许还有得一救。如果是电动自行车雨天在外充电起火，那还是别去救了，赶紧拉闸、灭火、报警、逃离，惹不起惹不起。

　　电动汽车的绝缘和BMS做得好很多，雨天充电没啥问题，别让充电插头灌了水就行。目前大厂家的电池包都有IP67防护等级，7代表电池包在1米深的水里面可以泡30分钟不失效，但非常不建议大家拿去涉水，电池包不进水，其他零部件泡了这么脏的水也是不行的，车况会迅速老化。

　　所以那些自以为是开上了电动汽车就可以随意涉水不怕熄火的朋友，下次请悠着点了。

　　单体电池（电芯）热失控并不可怕，可怕的是锂离子是自备燃烧条件的，在每个单体电池里面都有还原剂和氧化剂，万事俱备，连东风都不用，直接上“链式反应”，爱因斯坦骑单车图来一个。

　　所以，绝大多数单体电池都是被带节奏给带起来的，别睡了起来嗨，来一曲《爱的供“氧”》，没多久就嗨过头了，TR王炸，天地灭。

　　目前多数电动汽车改装都不属于“汽车改装”，应该属于最low的“汽车化妆”，不动电气线路的话影响不大，只是风阻更大些、续航更低些而已，基本无公害。

　　最麻烦的土法改装是PHEV插电式混合动力车型“慢充改快充”，这草根改装法的原理是利用机舱内电控器接口接入动能回收系统，用全车唯一大功率的动能回收线路进行快充，最高可以改到30kW充电功率。

　　无论动力电池是否有快充能力，其实都具备高倍率充放电的能力，只是受损状况是不明晰的，本身有快充能力的电池可以更多次地快充快放，本身无快充能力的电池只能“折寿”……

　　说动能回收系统的充电倍率只有3C左右，理论上不会对PHEV动力电池造成太大的伤害，但若动力电池本身就没做太多冷却优化，长时间大功率充电也会有热失控自燃风险的，工程师在做初始标定的时候根本就没想过车主要开车“连续下坡1.5小时”。当然，目前PHEV改快充之后都是着车充电的，液冷系统循环会跑起来，热失控的可能性比较低，但若遇上风冷系统，这一台静止的车就有风险了，而且保险对这种土法改装还是大额免赔的。

　　包含且不限于：

　　条件允许的话，慢充为主，快充为辅。不过因为很多家庭都没有固定车位和私家充电桩，所以这个理想的模式并不好操作。

　　当然，快充自燃的概率很低，最损害电池健康的还是过充电与过放电。为了防止过充电，可以自行限定SOC不到100%（之前蔚来就在自燃事故之后限定过SOC不能超过90%）；为了防止过放电，就不要每次都把电量用尽再充。

　　目前来看，HEV非插混与PHEV插混的自燃事故很少，主要是因为HEV和PEHV没有续航焦虑，不需要过充，电池不会像涨到快炸的能量包。

　　尽量不要魔改，尽量不要涉水，尽量不要暴雨天充电，电池热失控之后赶紧全员跑路并报警，救不回了就别勉强。

　　改良BMS电池管理策略，尽量避免过充电和过放电，外部短路尽快处理，热失控早期进行预警，热失控后系统自动通知消防和医院（以后或许可以OTA成功）。

　　冷却系统的效率也很重要，风冷廉价但极限低，液冷昂贵但靠谱些。一套好的冷却系统不是在电池热失控时进行损管，而是提供一套“让电池始终舒适”的温控方案，尽可能延缓锂枝晶生长的速度。

　　提升正极、负极、电解液、隔膜的热稳定性是很难的事情，特别在高镍/低钴无钴配方盛行的时代背景下。高镍意味着高容量（炸弹内馅更丰满），低钴无钴意味着低稳定性，这种正极材料将是目前和将来多年的主流。

　　更坚韧的SEI隔膜，更稳定的固态电解质，这些都是可能实现的解决方案之一。如果能延长热失控的时间，将逃生时间从2分钟增加到30分钟左右，新能源汽车自燃的致死概率将大幅度降低。

　　目前最容易实现的方案应该是增加更多阻燃剂或其他辅助剂，让电池配方更加不容易自燃。现在已有厂商宣称造出了“只冒烟不自燃”的电池，是否真实还得看上车上路后的效果。

　　动力电池配方们现在很纠结，我们一方面要求它足够活泼，充电速度快、放电功率大；一方面要求它足够淡定，遇到撞击、浸水、加热、过充放都不会热失控。

　　这很人格分裂好不好。对了，成本还不能高，高了卖不掉。“我要五彩斑斓的黑色”，害，一听需求就知道是老甲方了。

　　防尘、防水、隔热、阻燃、防呆，这些项目都可以继续加强，但成本和重量可不能无限制加上去。

　　泄压阀当然还是要有，防止爆炸当然是好事，不过肯定会有副作用，2019年4月上海徐汇区裕德路泰德花苑小区地下车库的Model S自燃就对旁边泄压，把旁边的奥迪直接烧透了。

　　新能源车的保养周期比汽柴油车更长，电池健康状态如何一直都是未知数，仅靠车载BMS去监控，能做的事情有限。

　　如果经销商能在车辆保养期间对动力电池进行全面检修，老车老电池自燃的概率会降低。蔚来为代表的换电模式，在电池健康检测方面有天生的优势。

　　目前六成的热失控都是电池内部崩塌自燃，罪名多数都套给锂枝晶（是否正确还没有定论），所以我们就要监控析锂效应发生的进度，有损的检测方式包括核磁共振波普技术、光学显微镜技术、透射电镜技术等，均需要拆开电池包；无损诊断的方式包括阿伦尼乌斯曲线、内阻－容量曲线等方式。

　　如果热失控无法避免，起码得有一个东西兜底，那就是商业保险。

　　目前中国消费者购买新能源车，保险条款与汽柴油车是一致的，并没有对新能源车主权益进行特定的保护。新能源车的推广是国家意志，未来新能源车必然是主流，保险行业暂时还没跟上节奏。

　　这个问题很难回答。

　　就如笔者刚刚所言，我们一方面需要车子充电更快、加速更快，一方面需要车子不易自燃，那么动力电池配方不能在你需要它活泼的时候一定不稳重，需要它稳重的时候一定不调皮。就算有解决方案，目前也一定不便宜。

　　在有限的预算和技术下，我们当前能做的事情是：尽量买大品牌的动力电池和新能源车，不要过充电/过放电，不要去涉水。

　　接下来很长一段时间内，动力电池安全都将是业界最重要的话题（刷续航逐渐成为低级揽客手段），充分竞争下的动力电池行业，会逐渐涌现出一批价格合理的安全电池。

（图/文/摄：太平洋汽车网 黄恒乐）