微宏试解动力电池安全困局 本刊记者 甄文媛
安全之困
“10万辆电动汽车中有可能发生自燃的有1600辆。”3月19日晚，微宏在北京水立方举办了“More Than Safe｜微宏不燃烧电池技术”发布会，微宏公司首席执行官吴扬给现场所有人算了这样一笔账，他假设的前提是这些车辆全部采用目前业内公认的电池制造水平高、全自动无人生产的日本18650电池，每辆车搭载8000个这种电池的电芯，按照其电芯品控率2ppm进行计算（即生产100万个电芯只有2个是不合格产品），起火概率依然如此惊人。需要再次强调的是，这种合格率几乎已经达到当前车用电池质量控制的巅峰，而国内的电池生产合格率与此尚有不小的差距。
吴扬认为，这恰恰是国外汽车巨头在电动汽车领域不轻易大规模行动的重要原因，“电动汽车的电池占据整车40%－50%的成本，一旦质量有问题对整车厂来说是灾难性的损失。十万辆是一个比较有规模的正规汽车公司的最低生产基数，即起步量，即便只有500辆车自燃，对生产企业而言肯定是灭顶之灾。”
电动汽车在国内市场规模扩张越快，安全问题便越受关注。这个领域自去年以来，一边是政策环境大好，销量一路飞涨，一边是数起新能源客车起
火事件，一些不合格动力电池流向市场等各种信息见诸报端，车辆安全特别是电池安全问题已经成为各生产企业心照不宣而又格外敏感脆弱的一根神经。
“现在不管是哪里的电动汽车在运行，一旦发生了燃烧的事故，每家公司的老板脑袋里出现的第一个问题：是不是我的车？如果不是我的车，马上就歇一口气了。这是我真实的感觉。”吴扬的这番内心剖白引起了不少电动汽车、动力电池企业人士的共鸣。
这些人瞬间的心理巨震折射出当前的动力电池安全困境。与传统的燃油车不同，目前国家大力推广的新能源汽车是由电力驱动的，其电池的主流技术路线选择了锂离子动力电池。但无论是2013年的两架787飞机因为锂离子动力电池模块燃烧引起迫降，还是更早的2006年笔记本电脑一连串自燃导致召回，这些概率极低的事故带来的负面影响远不止事情本身，锂电池在安全性问题上一直备受质疑，理由是锂电池在加热、过充或过放电流、振动、挤压等滥用条件下可能导致电池寿命缩短以致损坏，甚至会发生着火、爆炸等事件。
在吴扬和他的科研团队看来，电动汽车有两个最不安全的因素，一个是高压电流，但最可怕的还是锂电池，因为其安全不可预测。他们有一个非常形象的比喻：“锂电池就是个自带火柴的油箱，电池里的内短路就相当于自带火柴，还不知道火柴什么时候会点，所以非常危险。”
“投入到电动汽车产业我们要做什么？首先是电池，电池是电动汽车的核心，占40%－50%的成本，如果这个零部件做不好，那电动汽车就是不存在的。如果安全问题不能解决，我们的产业是只听楼梯响，不见人下来，大家都想做，但是真敢做吗？”带着这样的决心，吴扬投身电动汽车行业之后，把目标锁定在
动力电池上，数年来，已经陆续生产出具有“10分钟快充”、“超长寿命”特性的动力电池，在全球6个国家、100多个城市有了超过10,000辆
套电池的应用。但当初设定的第三个目标，历时八
年才终于攻克技术难关，一款据称是“不燃烧的电池”终于正式问世。这项新技术将如何解决当前锂电池的安全问题？
掐住“死穴”
通过对一系列装配锂电池的各类产品起火事件的全面分析，微宏动力系统(湖州)有限公司研发副总裁刘文娟提出，主要原因是锂离子电池在使用过程中存在不可控的内短路现象，从而引发热失控。导致内短路的成因非常复杂，刘文娟将其分成可控和不可控两大类，通过电子器件和机械设计可以避免不稳定的设计、机械性的损伤等问题，但还有一些内因无法完全避免，比如生产工艺、循环过程中损耗、材料性质等。
在这诸多因素中，哪些才是主因？通过对电池里发生热失控的种种反应进行定量研究，刘文娟给出了结论：正极反应热只占6%；负极反应热占5%；锂氧化热占15%，占比最高的则是电解液燃烧热，高达72%。
正如微宏负责开发电解液的郑卓博士所说：“目前绝大部分锂离子电池是不安全的，不管装的是什么材料，磷酸铁锂、锰酸锂，还是三元材料等，一旦烧起来结果是一样的。根据我们多年来的研究分析，这里面燃烧的罪魁祸首是电解液。”因此，郑卓博士毕业后来到微宏的第二年，就接到了吴扬关于开发不燃烧电解液的任务。
有着深厚有机化学学业基础的郑卓开始并不认为这是一件多难的事儿，当时的她甚至认为2－3年就能完成任务。但一路做下来却发现并不那么简单。郑卓解释，最大的难度是要在开发中贯穿微宏一贯的技术灵魂：“第一，开发的电解液必须是不燃烧的。第二，微宏是做快充的，快充的灵魂不能丢，它必须
具备十分钟内充满电的能力。第三，长寿命。电动汽车要普及，价格必须便宜，成本下降最好的办法就是长寿命。”于是从初出校园到已为人母，她这冷板凳一坐就是八年。
在发布会现场，我们看到了关于电解液的实验对比视频：普通电解液遇火迅速燃烧，一直到烧光电解液才渐渐熄灭，而微宏新开发的不燃烧电解液，反而遇火后产生蒸汽，将火苗扑灭了。至少从实验结果看，不燃烧的目标已经达到。
随后，郑卓用两张曲线图展示了这款不燃烧电池关于10分钟快充和长寿命特性如何达标：“能否长寿命这条曲线我们整整测了将近一年，20分钟充电，10分钟放电，连续充放电，一天跑36周，跑了330多天才拿到这样一个数据。”
吴扬对长寿命一项则更为乐观：“我们的电池可以实现8000次循环，性能下降不超过7%，比在实验室检测的结果还要好。因为在实验室里的电池要求24小时不间断充放电。但实际用在车上时，电池在夜晚是休息状态，就像人睡一觉起来精力充沛一样，电池得到休息后，性能也会得到改善。”
要真正防止热失控，除了电解液这个重要因素，在隔膜上下功夫也很关键。刘文娟指出：“内短路是起因，我们有很多是可以避免的，但是不能完全避免。如何降低反应的速度？我们把隔膜做成不可收缩，不能扩大内短路的隔膜。”据介绍，目前微宏研发的高安全隔膜可以在300℃不收缩，保持形貌完整，不出现大面积的内短路。这样的好处也很明显，刘文娟表示：“整个电池里的热是通过化学放热一点一点积
聚起来的，不会发生瞬时的热失控，
即使是失效了也为乘客争取宝贵的逃生时间。”
负责隔膜开发的是微宏首席技术官李翔，八年前他就接到了吴扬的任务：“一块膜一定要让它耐得住300℃的高温，要超过电池材料的分解温度，当电池材料分解之前这个膜始终是把电池的正负极隔开的。”
虽然有着30多年的工业用膜开发经验，其研发的超滤膜在2006年被陶氏化学高价收购，李翔的这一开发历程也是经几试错才终于到制膜的基本材料——“凯夫拉”，据李翔介绍，“凯夫拉”是用来制作防弹衣的
一种材料，同时它所生产的纸张也用作飞机机翼部分的增强材料。这种材料熔点高于350℃，分解温度高于400℃，燃烧等级为自熄，并且化学性能稳定，不会溶于电解液。与普通的PE隔膜相比，耐高温隔膜熔点更高，可以保证电池即便在300℃的高温下也不会发生收缩，防范电池内部短路，从而避免热失控。
“电解液不燃烧就彻底扼杀了热失控发生的可能性。微宏的高安全隔膜再配备不燃烧的电解液，这样的组合就是捏住了热失控的两个死穴，电池到最后壮烈牺牲，但是用户是安全的。”至此，在主动防御层面，微宏的解决思路清晰可见。
“火山入海”
“我们的隔膜和不燃烧电解液建立了动力电池对安全的主动防御系统，从内部解决问题，解决了主动防御就安全了吗？我们还是不满意。”微宏对电池安全的防护思路有着更为周到的考虑：既然正负极反应加上锂氧化贡献的热量仍然有28%。一旦主动防御失效或者由于外部的短路失效，就应当有被动防御技术发挥作用。
微宏的被动防御系统即智能热控流体的被动防御技术（STL）。微宏工程院院长仝志明用“性恶论”设定每一个电池都有失控着火甚至爆炸的可能，而这一系统的作用就是不让着火燃烧的热量传递出去，导致整个电池系统崩溃，引发灾难性后果。
目标很清晰，但研究过程却颇费周折。仝志明坦言：“电池在失控时爆发的猛烈程度有时候就像爆炸一样，我们在这个过程中想尽了各种各样的方法，失败了很多次，烧了很多电池，也花了很多钱，直到最后我们终于到了一个非常有效的方法，而且看起来非常简捷。”
这个方法的灵感来自“海底火山”。“如果把这个火山让它沉到海底会怎么样？是不是感觉到安心了很多？”接下来，微宏的工作就是把整个电池系统浸没到液体里，将电池和空气隔开。其中的最基本原理用中学的化学知识就可以理解：着火的前提要有三个要素同时存在，即可燃物、氧气、达到着火点的温度。“比如一个电池包里面充满液体，有一个电池失控了。局部的高温造成电池破裂，并且释放出可燃的气体或者导致泄露，因为这些发生在液面之下，没有接触空气，所以不会起火。等到
新能源汽车起火气体冒出液面之后，接触到空气的可燃气体，没有
相应的温度，也不会起火。”
这项技术早已走出实验室，用于微宏动力电池搭载的10000辆车上，范围涉及中国的不少城市以及欧洲的一些国家。“目前我们没有发生过一起因为电池所产生的运营安全事故。”一个生动的国外应用案例颇能说明问题，据仝志明介绍：2014年感恩节前夕，微宏在英国伦敦的用户在安装调试电池时操作不当，有一辆双层巴士的电池BMS出现绝缘报警，但工程师急于放假回家，七天回来后发现有少量溢出的黑液体，才拆开电池，原来是当时由于电压采样线的短路造成与之连接的电芯失控，电解液溢出来了。但由于电池箱整个浸没在液体里，所以失控只发生在下层最右边的一个模块，液体很好地保护了剩余七个模块在七天时间里没有继续失控。
这项技术并非仅在出现热失控时才开始发挥作用，仝志明介绍说：“我们赋予它三个非常重要的辅助职能，一是平衡温度场，二是控制整个电池温度，三是通过绝缘检测功能及时发现漏液现象。”这些职能带来的好处已经不仅仅是更高的安全性，比如它可以将整个电池箱的温差控制在3℃之内，延长电池寿命；还可以比较简便地在炎热和高寒地区调控电池温度，简化整个电池系统设计的难度，降低系统成本。
更令人有些意外的是吴扬对这项技术的态度：“被动防御技术是一个非常简单的技术，成本也非常低廉，
价钱最多不过几百元。我们公司虽然在上面拥有知识产权，但如果同行想使用这个技术我们可以开放，让大家都可以用，共同发展。”原来，吴扬更希望国家能将其作为一个工业标准。
锂离子动力电池的安全是项系统工程。微宏的解决方案也体现出这一点，其不燃烧电池的核心技术有三个：即不燃烧的电解液、耐高温的隔膜、智能热控流体(STL)被动防御技术。三项技术分别从主动防御和被动防御两个层面共同保障电池安全。吴扬表示，目前国家对新能源汽车特别是动力电池安全的关注远远超过以往任何时候。此次微宏发布的“不燃烧电池”技术便是针对当前安全形势的积极应对举措。而且，这项技术可以用于磷酸铁锂、三元锂等各种电池。新技术能否真正破解当前的电池安全问题？将对行业产生哪些影响？未来的应用
前景如何？我们还有太多疑问。