門外漢購車指南第二集：電車何時才能停止燃燒？

“燃起來了”通常是一種興奮的吶喊，但對于電車車主來說，卻是揮之不去的嘀咕忐忑。

8月1日，浙江一輛初代ES8撞上路柱后，瞬間爆炸起火，駕駛員身亡，事故原因正在調查中；7月27日，廣東東莞的一起交通事故中，一臺特斯拉Model Y和一臺奧迪轎車相撞，隨后特斯拉失控撞擊護欄燃起大火；再往前，蔚來江門換電站起火，有網友爆出起火原因，是蔚來遠程監測到用戶車上的電池有外力損傷，讓送回換電站，在檢測原因的過程中，電池著火。

光是去年前三個月，有記錄的新能源汽車火災就有640起，比再前一年同期上升32%。

(資料圖片僅供參考)

這個大概是很多拒絕擁抱電器化的油車“擁躉”都想象過的恐怖畫面，也是最難說服他們的一點——電車的電池安全性。

新能源車自燃丨Business Insider

電池起火爆炸的主要原因，就是它們內部發生了“熱失控”，由于沖擊、碰撞、高溫等各種因素，讓電池內部發生熱量的快速積累，并引發一系列不可控的連鎖反應，最終造成電池燃燒甚至爆炸。這是電動車目前面臨的最大安全問題之一。既然買輛新能源有這么大的安全隱患，車企怎么會不想想辦法？

01“火燒屁股”了

除了人們本能對于任何新技術的審慎，電車自燃本身也比油車自燃更令人警覺：比如，電車的電池貫穿整個車身，一旦起火就易造成整車燃燒；比如，油車起火的新聞大多伴隨交通事故，而電車起火的新聞有時是“靜置”狀態下的，格外顯眼……

常見的“熱失控”原因有“外患”和“內憂”兩大類。

所謂“外患”是一些外部偶發和極端因素。比如：機械濫用（事故中出現撞擊、擠壓）、熱濫用（過高溫度）、電濫用（過充、過放）等。除了交通事故中遭到嚴重碰撞立即起火，蔚來也公布過一起（2019年ES8）維修時發生的自燃事件，原因是之前底盤受撞，電池包內部結構被擠壓后短路著火；國內其他電車廠商也幾乎都有類似案例持續被曝出。

“內憂”也有很多方面。目前市面上最常見的鋰離子電池，由正極、負極、隔膜和電解液幾個主要部分構成。目前商用電池用到的電解液，其溶劑是碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯等有機液體，“特性”就是易燃易爆。

鋰離子電池也有一些特殊的隱患，比如“析鋰”——電池內的鋰離子在移動時，在隔絕電池正負極的薄膜上逐漸累積，形成鋰枝晶“小毛刺”，這些毛刺可能會刺破薄膜，造成正負極接觸短路，從而造成熱量快速積累。

鋰枝晶丨electronicproducts

因此電池結構的完整性和隔膜的質量是決定電池安全的重要因素，高質量的電池出廠前，除常規加溫加壓測試之外，還會有一項名為“穿刺”的測試（但并非目前市面通行的強制要求）——拿一個大針頭，對著電池身體正中央使勁兒一捅（目的是同時破壞了正負極結構和隔膜的完整性，使得發生短路），看你服不服——不服就“火冒三丈”，服了才能算安全。

既然如此，一個順理成章的安全改進思路就出現了：如果將有機電解液去掉，換成不可流動、不存在滲漏問題、熱穩定性好的固態材料，貌似就能除掉安全隱患；而且固態電解質的力學性能足夠強，就有希望抑制鋰枝晶的產生和穿透。

傳統鋰離子電池與固態電池對比示意圖丨Eyes, JAPAN Blog

02 “固態電池”：我有我的難處

固態電池理所當然成為電池產業規劃的“下一站”，無論從“安全性”，還是“能量密度”來衡量，只是苦于不知如何抵達普及。畢竟1990年，美國橡樹嶺國家實驗室就造出了固態電池，后來就是在技術路線上的不斷試錯。

目前業界有三種主流的固態電解質材料體系，聚合物（有機電解質）、氧化物和硫化物（后兩者屬于無機陶瓷電解質），過往三十多年的研究也將各條技術路線上的代表性材料，篩選了出來。

聚合物電解質易加工、機械性能好、比較柔軟，是最早推進商業化應用的路線。但它的室溫導電率低，需要加熱到60攝氏度以上的高溫才能使用；且耐高壓性差，對正極材料有限制，電池的能量密度提不上去；還有熱穩定性比氧化物和硫化物低，安全性問題沒被徹底解決。

氧化物對制造工藝要求高，做固態電池孔隙率高，需要高溫燒結才能熱壓致密化，而它本身離子導電率也低。

三者之中，硫化物是室溫離子導電率最高的；但缺點是，電化學穩定性差，在潮濕環境下與空氣中的水分發生反應，易產生有毒氣體——硫化氫。

除了材料選擇本身，固態電池結構也是一個有待解決的問題。

普通鋰離子電池中，電極材料和液態的電解液能實現充分接觸，液體很容易浸潤電極材料表面。固態的電極和電解質，從微觀層面看，如同兩塊有棱有角的石頭，很難接觸充分。這種固體之間的接觸壓實密度也就直接影響了固態電池的能量密度。

03 3D打印出來的電池，你敢用么？

固態電解質的結構能否被更好優化？研究者想到用3D打印的方式，來探索將電解質打印成不同的復雜結構。

比如，英國牛津大學的研究人員為了改良LAGP（一種氧化物固態電解質）解決其機械強度差，太容易碎的問題，先借助3D打印做出一個三維框架（形似掏空了的魔方），在框架內部，填充上LAGP。隨后，用環氧樹脂將原來的框架替換掉，利用環氧樹脂框架承力。

與之想法類似，美國一家名為Sakuu的公司利用粘結劑噴射成型技術，過程是將所需的電極材料、固態電解質粉末按照特定圖案沉積到基體上，然后用液體試劑噴射“固化”它們。Sakuu說能在同一層打印多材料，陶瓷、玻璃、金屬、和聚合物，甚至他們自己的一種輔助材料，叫PoraLyte——一種類似聚合物的支撐材料，暫時填補需要預留空隙的地方，在燒結時會被燃燒掉，以此探索各種結構。

總的來說，利用3D打印是想通過創建不同結構，增大與界面的接觸面積，傳統加工方法很難實現非常細微的的結構制造；可以方便地調控材料的孔隙率；此外，3D打印方法有可能把固態電解質層做薄，從而降低電池的內阻和重量。

Sakuu還曾3D打印出一張形狀特殊的電池，特殊在電池上開有兩個孔，這種“造型”用“卷對卷”傳統的電池制造方法，幾乎不可能實現。考慮是否未來能應用于定制電動車電池的形狀，優化車輛空間。

Sakuu公司制造的一種特殊形狀的固態電池丨Sakuu

聽起來還挺有想象力的是吧？但“實驗室”和“工廠”總歸是兩碼事，量產是逃不開的話題。

04 三伏“電動爺”，三九“電動爹”

于是電池產業對于固態電池的量產時間預測，一直在往后延期。解決不了批量化的生產工藝和品控問題，固態電池也當不成救世主。產業要在“性能”和“成本”之間平衡，多付出10%的成本能將安全系數從90%提升到99%，而后面的1%，也許要花上10倍的成本和精力。

不少人嘲諷，電動車冬天就變“電動爹”。因為目前液態電池在低溫下的性能不夠好，低溫導致電解液粘稠，致使電池內阻增加，鋰電池的負極析理現象會變嚴重，導致可用容量下降；到了夏天又得擔心充電時的潛在風險，不敢充滿，只敢充“八分飽“。

液態電池在低溫下性能不夠好丨electrek

絕大多數新能源車都配備電池管理系統（BMS），控制熱量在可控的安全范圍。有的車會在儀表盤設置動力電池過熱警告，還有設置了可調節的充電檔位，輔助科學充電，避免過充情況。但我們仍然期待一種技術路線能徹底守住安全底線問題。

畢竟，你總不能指望靠著“智能交互”來一句：“嗨，NOMI，小P，小藝，哪吒……現在車著火了，我該怎么辦？”

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