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撰文 | 满凯

责编 | 冯灏

到今年4月,《电动自行车安全技术规范》就已经推行整四年,但其减少电动自行车安全隐患的效果却不尽如人意,与电动自行车相关的火灾事故仍是交通工具火灾中的突出问题。

2022年前十个月,我国消防部门共接报电动自行车和三轮车火灾1.8万件起,同比上升25.7%。

2022年10月,上海一居民楼室内锂离子电池在室内充电的过程中发生故障热失控引发火灾,造成2人死亡;

7月,江苏某地车棚内一辆电动自行车自燃,引起其他停放的电动自行车接连爆炸,45辆电动自行车、22辆自行车以及车棚上的电线均被烧毁。

2021年9月,北京通州区某小区内一辆电动自行车在阳台充电时爆炸引发火灾,致使居住在楼上的5人被烧死或一氧化碳中毒死亡。

触目惊心的事故报道和伤亡数字的背后,浙江绿源电动车有限公司总裁倪捷认为,有必要具体分析电动自行车火灾的原因。

他将电动自行车的火灾事故分为四类。一是户外充电时,插线板、线路等部位起火引起的临近电动车燃烧;二是“新国标”前生产的低标准或老化的电动自行车,在充电过程中起火燃烧;第三类是消费者为了增加续航和配速自行改装,之后出现充电器和电池不适配、电池挤压连接线等情况,在充电过程中发生意外。

第四类则是车辆和电池在设计和制造上存在的安全隐患,包括对电芯和电池组的物理防护、电池管理系统设计和电池本身的安全性能等。

倪捷说,“根据我的调查和估计,这四类火灾事故中,前三类各占十分之三左右,最后一类占十分之一到十分之二”。虽然在事故比例上,隐藏在电动自行车使用过程中的安全隐患大于车辆固有的安全隐患,但是倪捷认为,第四类事故才是电动自行车的生产端真正可以发力解决的。

 

1、“好像汽油一样,见火就疯着”

事故中的燃烧源或爆炸源是电池,且主要是锂离子电池。事实上,在电动自行车之外,锂离子电池在电动汽车领域已经有了很好的应用,国产的锂离子电池已经占领了全球市场的大部。工信部赛迪研究院发布的数据显示,截至2021年底,中国动力电池产能约占全球的70%,世界十大锂电池厂家当中,中国占据六席。

而对于中国特色的电动自行车,除了锂电池,还包括应用已久的铅酸电池。铅酸电池曾在电动自行车中广泛应用,其主要优点在于成本低、安全稳定、大电流放电和高低温放电性能好。铅酸电池在电动自行车中的应用十分成熟,是电动自行车电池的主力军,市场规模接近500亿元。但是,铅酸电池的能量密度较低,在相同电池容量下更重。

中国科学院电工研究所研究员陈永翀解释说,“铅酸电池自燃和爆炸的可能性非常小。铅酸电瓶车如果发生起火,其主要原因也不是电池,而是在电池短路、高温老化或连接不当的情况下,电池连接线发生的自燃。当然,在极个别情况下,例如充电器控制失效,也会导致铅酸电池过度充电,进而电池发热、鼓胀甚至燃烧和爆炸。”

锂离子电池最主要的优点就在于能量密度高,相对铅酸电池更轻,使用寿命更长。2018年5月发布的“新国标”对电动自行车的重量做了严格的限制。由此,原本在电动自行车领域不受青睐的锂离子电池得到快速应用。同时,锂离子电池具有充电时间短的特点,契合了消费者对快充的需求。

但是,锂离子电池的成本较高、安全性能相对铅酸电池要差一些,为电动自行车大规模应用的安全问题埋下了隐患。

以不同技术路线划分,电动自行车用锂离子电池主要包括磷酸铁锂、锰酸锂和三元锂电池。

磷酸铁锂电池最大的优点是安全性好,主要体现在它的自燃温度高,需要500-800摄氏度以上才会自燃或者爆炸,所以发生事故时常常只冒灰烟、少见明火。磷酸铁锂电池的循环寿命长,在一般应用情况下可以充放电两千次以上,但低温性能差,冬天时掉电厉害,使用里程明显缩短。

另外,能量密度相对三元锂电池也更低些,在同等电池能量下,体积和重量是三元锂电池的两倍左右,因此在电动自行车里的应用比例较小;但由于磷酸铁锂电池安全性能好,目前也有应用比例上升的趋势。

和磷酸铁锂电池刚好相反,锰酸锂电池的循环性能不佳,一般充放电七百到八百次时容量已经衰减到80%以下了。它的高温性能不好,在45度以上温度下搁置较长时间会显著降低它的循环寿命,但是其低温性能好,在零下20度还能保持80%以上的电池容量,安全性能和磷酸铁锂电池差不多。现在有新的技术可以改进它的高温性能和循环性能,目前正在电动自行车中加快应用。

三元锂电池优点主要在于能量密度高,是电动自行车领域的“新贵”,其缺点也相当致命:安全性较差,电池短路后容易发生燃烧和爆炸。

“三元锂电池在电动自行车上本身应用较少,但是由于早期电动汽车动力电池主要用的是三元锂电池”,苏州赛诺伊电动科技有限公司总经理纪冰告诉《知识分子》,“前些年退役的三元锂电池正在通过不正规渠道流入电动自行车电池市场”。

尽管性能上天差地别,以上三种锂离子电池有一个共性,低温下充电较慢,也不够安全。低温使电解液的粘稠度上升且电导率下降,导致电极和电解液界面间锂离子扩散和电荷转移较缓慢,容易在负极表面形成具有破坏性的锂枝晶。

不断生长的锂枝晶如同慢性自杀一般持续降低电池使用容量,一旦其尖锐的头部刺穿隔膜,造成内部正负极短路,就很容易引发起火和爆炸。

锂离子采用的隔膜一般的耐热温度在140-180摄氏度之间,如果超过这个温度,聚合物材料会从玻璃态转变成流动态,导致正负极直接接触,剧烈放电,引发起火或爆炸。另外,锂离子电池用的是有机电解液,倪捷说,“好像汽油一样,见火就疯着”。

 

2、A品电池卖给汽车厂

电动车厂得到B品电池

纪冰认为,目前市面上电动自行车的电池质量良莠不齐,总体来说远不如电动汽车电池,背后的原因是电池供应困难、生产标准缺失和价格内卷,暴露的问题反映了产业链的不成熟。

随着中国新能源汽车的产销量快速增长,动力锂电池的需求和产量也在激增。平均使用5-7年后,动力锂电池的电池容量将下降至额定容量的80%以下,按照“新国标”,将不能继续作为新能源汽车动力电池使用。十年后的现在,市场上产生了大量面临退役的锂电池,在可持续发展的要求下,动力电池回收成为亟待解决的问题。

与此同时,除了头部企业以外的大部分电动自行车厂家不具备从国内大型的锂电池生产企业购入电池的资质。纪冰说,“关键原因在于电动自行车锂电池缺少标准,这让大型的锂电池厂家不敢供货,一旦出现问题没办法认定责任”。

2018年12月,国家标准化管理委员会发布了国家推荐标准《电动自行车用锂离子蓄电池》。但由于该标准是推荐性标准,约束力有限,电动自行车企业可以选择不执行。

纪冰说,在电池生产商向电动自行车供货意愿不足的情况下,部分厂家选择从锂电池生产企业购入电芯,自己配组成电池。更有甚者,部分小型的锂电池厂家已经做起了这部分生意。

陈永翀说,“早期一些生产汽车锂电池的大厂,会将电压相近、内阻一致的A品电池打包、组配好卖给汽车整车厂,而把内阻、电压参差不齐的所谓B品电池卖给一些没有锂电池生产资质的小厂。这些小厂再将电池串并联成组,卖给一些小品牌电动车整车厂和诸如维修点、销售门店等二级市场。”

锂电池是由多个电芯并联或串联组成,如果要电池整体运行顺畅,电芯的一致性就必须好。一致性差的电池在长期使用后,电芯的参数差异会增加。纪冰解释,“就好像水桶的容量取决于最短的板子,电池的质量取决于最差的那支电芯”。电动自行车厂家受制于购入电芯的基数不够大和相关技术问题,电池的性能往往不佳。

除了上游电池供应不足以外,电动自行车厂家对锂电池高企的价格也望而生畏。受到原材料金属价格上涨的影响,锂电池价格在2020年末进入上升通道,以碳酸锂为例,2023年1月价格已经是两年前的十倍以上。

纪冰说,“现在行业内一组48伏24安时的正规锂电池大概在2000元左右,几乎就是电动自行车的整车零售价格”。在这种情况下,电动自行车厂家自然要在控制电池成本上想办法。

一边是大量亟需找到回收路径的废旧电池,另一边是电动自行车生产中巨大的锂电池进货缺口和控制成本的需求。纪冰说,这两年大量的电动自行车使用了拆机电池,即对电动汽车废旧电池重新组装后的电池。

由于电芯和电路老化,拆机电池的性能不稳定,再加上一些小厂家采用简陋的方式组装品质参差不齐的电芯,在电芯间的绝缘、防撞、防穿刺和电池管理系统上节省成本,拆机电池的不良使用大大增加了事故风险。

 

3、从充电桩到换电柜

解决电动自行车安全问题的一个思路是管理事故风险和减小事故代价。

近年来,户外的公共充电和换电桩逐渐成为刚需。实现车辆或者电池的集中隔离充电,一来可以使用技术措施保护电池,二来在事故发生时可以减小对生命和财产的损害。

2021年,应急管理部《高层民用建筑消防安全管理规定》明确,禁止在高层民用建筑公共门厅、疏散走道、楼梯间、安全出口停放电动自行车或者为电动自行车充电,鼓励在高层住宅小区内设置电动自行车集中存放和充电的场所,很大程度上促进了电动自行车公共充电设施的推广和建设。

电池充电时电压较高,是电动自行车起火风险较大的时候,在户外充电可以很大程度的保护用户的生命安全。但是倪捷认为,目前户外充电桩、柜的建设还不足,更重要的是充电设施简单,缺乏对电池数据监测的功能。不少锂电池柜设置在高密度居民楼下,有的靠近火源、有的电线暴露,其中有些电池已十分破旧仍在使用。

没有行业标准和监管措施来规范化建设和运营,导致户外充电区域的事故风险仍然很高。有没有更加方便、智能和安全的充电方式呢?

换电模式近来受到广泛关注,相较于传统的充电模式,它将电池统一管理,通过数据化监测让充电更安全。同时,换电节省了用户的时间,也相当于延长了续航能力,比如,希望在送单高峰期节约时间和连续骑行的外卖骑手就对换电模式青睐有加。

以某头部换电品牌的产品为例,为了打通整个换电流程,需要完成换电柜安置、统一锂电池的配置和用户电动自行车改造,还需要联合电动自行车厂家生产配套的电动自行车,为部分用户提供电动自行车的购买和租赁服务。

电池被放置在较为密闭和恒温的换电柜仓格内充电,仓格内置火情监测装置、灭火器和自动断电开关,在低温或雷雨天气下可以一定程度上安全充电,恒温系统可以避免低温充电产生的锂枝晶问题。换电柜装有数据化的监测系统,对于充电电池的实时监测可以有效避免出现过充情况。总的来说,目前市面上换电柜的充电环境要优于一般充电桩。

为了更方便和快捷地换电,换电柜需要在城市中相对密集分布。同时,用户需要配备可换电的电动自行车,或者直接在门店中将原有电池换为换电电池。《知识分子》在北京多家电动自行车门店了解到,一般情况下,车辆原来配有48V锂电池且电池仓空间足够放下换电电池,就可以更换电池。如果用户的原有车辆不适合换电,也可选择在门店购买或租用配套的电动自行车。

倪捷认为,锂离子电池的电动自行车最终需要做到“车充分离”。但是目前换电行业距离全面普及的目标还很遥远且面临很大困难,最重要的是没有统一的充换电技术和市场的准入标准,其次换电模式在外卖骑手中较受欢迎,但是普通用户的接受度不高,如何改变用户习惯是让换电模式发挥保障安全充电作用的重要前提。

 

4、电池技术路线的两难抉择

“新国标”曾是对动力电池技术的一次大考,锂离子电池挺身而出却没能交出完美的答卷,继续发展还是转换赛道是摆在业界面前的难题。

中国科学院物理研究所研究员黄学杰告诉《知识分子》,不同目标应用场景下,电池技术有着不同的优选解决方案。磷酸铁锂电池比三元锂电池的能量密度低,因此目前续驶里程要求不高的车辆常采用磷酸铁锂电池,而三元锂电池更多被售价更高、一次充电行驶里程更长的车辆采用。

黄学杰说,“电池性能的提升只是电池技术发展的一个要求,资源的节约或者资源稀缺型元素的替代尤为重要。”他认为,磷酸铁锂电池可以向5V尖晶石镍锰酸锂电池做技术升级,新电池具有更高的能量密度、更好的低温性能和更高的锂资源利用率以及成本优势;而高能量密度的镍酸锂/合金化负极动力电池省去了三元锂电池中资源稀缺的钴,可做到了大幅提升性能的同时降低成本,可作为三元锂电池的“升级款”。

固态锂电池采用固体电解质代替了原来的电解液和隔膜,是新型变革性电池,目前尚处在实验室研发向实际应用发展的阶段,可能在今后几十年或者更长时间才能实现规模应用。固态锂电池大大降低了电池热失控风险,在安全性上有根本性的提高,同时还有望提升能量密度。华中科技大学教授黄云辉强调,“电池的安全关系到车辆的安全,我们在提升电池能量密度的同时一定要考虑它的安全性”。

一方面,锂枝晶在固态电解质中生长缓慢且难刺透电解质,避免了锂枝晶生长造成的短路现象;另一方面,固态电解质热稳定性强,避免了隔膜热变形造成的短路问题。此外,固态电解质不可燃,一般不会引发类似传统锂离子电池有机电解液的剧烈燃烧甚至爆炸。

对于固态电池特别是全固态电池,由于采用固态电解质,电池负极一般不采用锂脱嵌型石墨,而直接使用金属锂负极,由于金属锂负极的超高比容量,可显著减轻负极材料的用量,很大程度上提升了电池的能量密度;再加上固态电池可以简化封装和冷却系统,可以进一步减轻电池重量,因此应用于电动汽车和电动自行车后,不仅能显著提升安全,还能有效解决里程焦虑。

但固态电池的开发和应用面临技术和成本等多重难题。

固态电解质的电导率比原来低1-2个数量级,全电池的阻抗大,导致循环性能差。锂电池的电极材料在充放电时会发生膨胀和收缩,固态电池也是这样,液态电解液和电极接触好,而固态电解质和电极难以保持长期稳定的接触,这会增大电池的内阻,影响电池性能。因此,不少企业选择半固态电池或固液电池的发展路线,逐步减少电解液用量。添加部分固态电解质成分的半固态锂离子电池在安全性方面可望得到改进,行业内多数企业均在开发相关技术。

由于固态电解质还存在离子电导率低、与电极材料的界面兼容性较差等问题,难以批量生产,加之固态电池的制备技术不够成熟,目前还很难实现规模生产和应用,即使有试产或小规模生产,也成本高企,制约了其规模生产和应用。

除了停留在锂离子电池上想办法,随着锂的资源制约问题越来越突出,学术界和产业界将目光投向了其他二次电池体系,特别是——钠。

钠离子电池具有成本低、倍率性能好、低温容量保持率高等优点。特别是钠的资源丰富、提炼相对简单,相比于价格高企的锂电,成本优势明显。钠离子电池的能量密度虽不及三元锂离子电池,但与锰酸锂电池相当,有望媲美磷酸铁锂电池,是一个很好的发展方向,未尝不是一个好的发展方向。

在元素周期表中,Li和Na属于同一主族元素并且具有相似的化学性质,钠离子电池也具有和锂离子电池相似的工作原理,钠离子同样是通过在正负极之间的嵌入和脱出实现氧化还原反应。钠离子电池的正极材料很大程度上决定了电池的能量密度,目前主要有层状过渡金属氧化物、普鲁士蓝类化合物和聚阴离子类化合物三种,前两种材料的比容量相对较高,产业化应用前景广阔。

钠离子电池的负极材料是充放电过程中离子和电子的载体,决定了能量储存与释放效率,锂离子电池商用的石墨负极无法实现钠离子的有效嵌入和脱出,主要使用层间距更大的无定形碳特别是硬碳作为负极材料。

目前,钠离子电池还没有规模应用到电动汽车或电动自行车上。黄云辉提到,“现在钠离子电池已经在逐渐走向实际应用,应该会在两三年内在应用方面取得突破性进展。”倪捷也认为,钠离子电池的技术现在不是问题,问题是供应链产业链还没有形成,正负极材料均没有实现稳定生产。

但是纪冰却认为,在锂离子电池产业链成熟的情况下,钠离子电池市场前景堪忧,“就好像我写的钢笔字挺好的了,今天突然说以后改成练毛笔字,我肯定不会改”。  

 

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由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,现任主编为周忠和、毛淑德、夏志宏。知识分子致力于关注科学、人文、思想。我们将兼容并包,时刻为渴望知识、独立思考的人努力,共享人类知识、共析现代思想、共建智趣中国。

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