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撰文丨满凯

2月23日凌晨,南京一小区电动车起火引发了一场火灾,造成了一场15人遇难,44人受伤的惨烈事故。

电动自行车起火造成的人员伤亡并非孤例。

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;

2022年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。

……

2023年,全国消防救援局共接报电动自行车火灾2.1万起,相比2022年上升17.4%。目前我国两轮电动自行车保有量至少已有3.5亿辆。

到今年4月,《电动自行车安全技术规范》(以下称“新国标”)就已经推行整五年,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。

《知识分子》结合最新及此前对多位专家和业内人士的访谈,对电动自行车电池安全问题做了一些分析。

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。

“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。

艾瑞咨询的数据显示,2021年,中国的锂电两轮电动车销量达960万辆,锂电销量占比23.4%。

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。

2019年后,锂电池逐步抢占了铅酸电池的市场,并且有逐年上涨的趋势。

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。

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。

图源:《电动自行车用锂离子蓄电池安全使用白皮书》(漫画版)

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。尤其是三元锂电池,由于能量密度高,是电动自行车领域的“新贵”,但其缺点也相当致命:安全性较差,电池短路后容易发生燃烧和爆炸。

尽管性能上有所差别,但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”。

A品电池卖给汽车厂

电动自行车厂得到B品电池

苏州赛诺伊电动科技有限公司总经理纪冰告诉《知识分子》,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。

目前国内大型的锂电池生产企业(如宁德时代、比亚迪、国轩等)所生产的电芯主要供给有资质的新能源汽车企业。

很多所谓的电动自行车锂电生产企业,几乎都不具备向上游的大型电芯生产企业进货的资质。

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。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。

户外充电安全悖论

一般认为,禁止电动车入户,禁止在室内充电能减少大部分安全隐患。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。

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。

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。

但一个问题在于,很多电动两轮车厂商的产品说明书和客服会明确要求,“零度以下不能充电”。

清华大学交通研究所副所长杨新苗解释说,这是因为低温充电会带来安全风险。低温下给锂电池充电就会在导致锂离子在负极析出,就是长出来白色的锂附在负极上。随着锂电池使用,还会生长,这就是锂枝晶。其头部是尖锐的,生长过程中会慢慢刺穿隔膜。由于它是导电的,一旦刺穿隔膜,就形成内部短路,电池就发生起火和爆炸。

理论上说,只要出现零度以下充电,就有可能在未来使用中电池发生问题。电池行业认为一旦发生析锂,锂电池就变成了不稳定的炸弹。

但是,在我国北方冬季户外的气温低于零度是常态化的,有人在网上真诚发问,“想问不在家里充电,能在什么其他地方充电呢?”

另外,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。

锂电池之外,答案尚不清晰

“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。

转换到哪里?固态锂电池采用固体电解质代替了原来的电解液和隔膜,是新型革命性电池,其大大降低了电池热失控风险,在安全性上有根本性的提高。华中科技大学教授黄云辉解释说,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情况;另一方面,固态电解质热稳定性强,避免了隔膜变性造成的短路问题。此外,固态电解质的可燃性较差,难以引发类似锂离子电池有机电解液的剧烈燃烧或爆炸。

但是,固态锂电池尚处在实验室研发阶段,可能在十年或者更长时间后才能应用。目前,固态电池的开发面临技术和成本的双重难题。

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电时膨胀,放电时收缩,固态电池也是这样,但区别是液态电解液和电极接触较好,固态电解质和电极的界面难以保持长期稳定的接触,这会增大电池的内阻。因此,部分企业选择先从半固态电解液,即减少电解液用量开始发展。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。

加入的固态电解质增加了成本,而且一些电解质中含有稀有金属,这使得全固态甚至半固态电池的成本很难与有机电解液电池相当。总的来说,固态电池的工艺路线尚不成熟,降本仍需一段过程。

除了停留在锂离子电池上想办法,已经有科学家将目光投向其他金属——钠。

钠离子电池具有成本低、安全性高、热稳定性优异的优点。钠电资源丰富,提炼简单,相比于价格高企的锂电,成本优势明显;钠离子电池的内阻较大,瞬时发热量较小,发生热事故的风险更小;它的能量密度与锰酸锂电池相当,不及三元锂电池,但是在锂资源矛盾突出和部分锂离子电池安全问题的背景下,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,同样通过正离子在正负极之间的嵌入和脱出实现电荷转移。钠离子电池的正极材料为电池提供了离子源,它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,前两种材料的能量密度相较第三种材料高,产业实践也相对较多。

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,由于钠离子半径比锂离子半径更大,无法在石墨中有效嵌入和脱出,因此目前主要使用层间距更大的无定形碳作为负极材料。

目前,钠离子电池还没有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走在实际应用的一个临界点,应该会在两三年内在应用方面又更大的进展。”倪捷也认为,钠离子电池的技术现在不是问题,问题是供应链没有形成,主要是负极的生产还没有稳定,因此成本较高。

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”。

黄云辉说,电池的安全技术关系到车辆的安全,我们在考虑电池能量密度的同时一定要考虑它的安全性。但目前而言,电动自行车电池爆炸,依然没有完美的技术解决方案。

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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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