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#1
發表於 2023-1-25 19:04
01.12
知識分子
The Intellectual
撰文 | 滿凱
責編 | 馮灝
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到今年4月，《電動自行車安全技術規範》就已經推行整四年，但其減少電動自行車安全隱患的效果卻不盡如人意，與電動自行車相關的火災事故仍是交通工具火災中的突出問題。
2022年前十個月，我國消防部門共接報電動自行車和三輪車火災1.8萬件起，同比上升25.7%。
2022年10月，上海一居民樓室內鋰離子電池在室內充電的過程中發生故障熱失控引發火災，造成2人死亡；
7月，江蘇某地車棚內一輛電動自行車自燃，引起其他停放的電動自行車接連爆炸，45輛電動自行車、22輛自行車以及車棚上的電線均被燒燬。
2021年9月，北京通州區某小區內一輛電動自行車在陽臺充電時爆炸引發火災，致使居住在樓上的5人被燒死或一氧化碳中毒死亡。
觸目驚心的事故報道和傷亡數字的背後，浙江綠源電動車有限公司總裁倪捷認為，有必要具體分析電動自行車火災的原因。
他將電動自行車的火災事故分為四類。一是戶外充電時，插線板、線路等部位起火引起的臨近電動車燃燒；二是“新國標”前生產的低標準或老化的電動自行車，在充電過程中起火燃燒；第三類是消費者為了增加續航和配速自行改裝，之後出現充電器和電池不適配、電池擠壓連接線等情況，在充電過程中發生意外。
第四類則是車輛和電池在設計和製造上存在的安全隱患，包括對電芯和電池組的物理防護、電池管理系統設計和電池本身的安全性能等。
倪捷說，“根據我的調查和估計，這四類火災事故中，前三類各佔十分之三左右，最後一類佔十分之一到十分之二”。雖然在事故比例上，隱藏在電動自行車使用過程中的安全隱患大於車輛固有的安全隱患，但是倪捷認為，第四類事故才是電動自行車的生產端真正可以發力解決的。
1
“好像汽油一樣，見火就瘋著”
事故中的燃燒源或爆炸源是電池，且主要是鋰離子電池。事實上，在電動自行車之外，鋰離子電池在電動汽車領域已經有了很好的應用，國產的鋰離子電池已經佔領了全球市場的大部。工信部賽迪研究院發佈的數據顯示，截至2021年底，中國動力電池產能約佔全球的70%，世界十大鋰電池廠家當中，中國佔據六席。
而對於中國特色的電動自行車，除了鋰電池，還包括應用已久的鉛酸電池。鉛酸電池曾在電動自行車中廣泛應用，其主要優點在於成本低、安全穩定、大電流放電和高低溫放電性能好。鉛酸電池在電動自行車中的應用十分成熟，是電動自行車電池的主力軍，市場規模接近500億元。但是，鉛酸電池的能量密度較低，在相同電池容量下更重。
中國科學院電工研究所研究員陳永翀解釋說，“鉛酸電池自燃和爆炸的可能性非常小。鉛酸電瓶車如果發生起火，其主要原因也不是電池，而是在電池短路、高溫老化或連接不當的情況下，電池連接線發生的自燃。當然，在極個別情況下，例如充電器控制失效，也會導致鉛酸電池過度充電，進而電池發熱、鼓脹甚至燃燒和爆炸。”
鋰離子電池最主要的優點就在於能量密度高，相對鉛酸電池更輕，使用壽命更長。2018年5月發佈的“新國標”對電動自行車的重量做了嚴格的限制。由此，原本在電動自行車領域不受青睞的鋰離子電池得到快速應用。同時，鋰離子電池具有充電時間短的特點，契合了消費者對快充的需求。
但是，鋰離子電池的成本較高、安全性能相對鉛酸電池要差一些，為電動自行車大規模應用的安全問題埋下了隱患。
以不同技術路線劃分，電動自行車用鋰離子電池主要包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰和三元鋰電池。
磷酸鐵鋰電池最大的優點是安全性好，主要體現在它的自燃溫度高，需要500-800攝氏度以上才會自燃或者爆炸，所以發生事故時常常只冒灰煙、少見明火。磷酸鐵鋰電池的循環壽命長，在一般應用情況下可以充放電兩千次以上，但低溫性能差，冬天時掉電厲害，使用里程明顯縮短。
另外，能量密度相對三元鋰電池也更低些，在同等電池能量下，體積和重量是三元鋰電池的兩倍左右，因此在電動自行車裡的應用比例較小；但由於磷酸鐵鋰電池安全性能好，目前也有應用比例上升的趨勢。
和磷酸鐵鋰電池剛好相反，錳酸鋰電池的循環性能不佳，一般充放電七百到八百次時容量已經衰減到80%以下了。它的高溫性能不好，在45度以上溫度下擱置較長時間會顯著降低它的循環壽命，但是其低溫性能好，在零下20度還能保持80%以上的電池容量，安全性能和磷酸鐵鋰電池差不多。現在有新的技術可以改進它的高溫性能和循環性能，目前正在電動自行車中加快應用。
三元鋰電池優點主要在於能量密度高，是電動自行車領域的“新貴”，其缺點也相當致命：安全性較差，電池短路後容易發生燃燒和爆炸。
“三元鋰電池在電動自行車上本身應用較少，但是由於早期電動汽車動力電池主要用的是三元鋰電池”，蘇州賽諾伊電動科技有限公司總經理紀冰告訴《知識分子》，“前些年退役的三元鋰電池正在通過不正規渠道流入電動自行車電池市場”。
儘管性能上天差地別，以上三種鋰離子電池有一個共性，低溫下充電較慢，也不夠安全。低溫使電解液的粘稠度上升且電導率下降，導致電極和電解液界面間鋰離子擴散和電荷轉移較緩慢，容易在負極表面形成具有破壞性的鋰枝晶。
不斷生長的鋰枝晶如同慢性自殺一般持續降低電池使用容量，一旦其尖銳的頭部刺穿隔膜，造成內部正負極短路，就很容易引發起火和爆炸。
鋰離子採用的隔膜一般的耐熱溫度在140-180攝氏度之間，如果超過這個溫度，聚合物材料會從玻璃態轉變成流動態，導致正負極直接接觸，劇烈放電，引發起火或爆炸。另外，鋰離子電池用的是有機電解液，倪捷說，“好像汽油一樣，見火就瘋著”。
2
A品電池賣給汽車廠
電動車廠得到B品電池
紀冰認為，目前市面上電動自行車的電池質量良莠不齊，總體來說遠不如電動汽車電池，背後的原因是電池供應困難、生產標準缺失和價格內卷，暴露的問題反映了產業鏈的不成熟。
隨著中國新能源汽車的產銷量快速增長，動力鋰電池的需求和產量也在激增。平均使用5-7年後，動力鋰電池的電池容量將下降至額定容量的80%以下，按照“新國標”，將不能繼續作為新能源汽車動力電池使用。十年後的現在，市場上產生了大量面臨退役的鋰電池，在可持續發展的要求下，動力電池回收成為亟待解決的問題。
與此同時，除了頭部企業以外的大部分電動自行車廠家不具備從國內大型的鋰電池生產企業購入電池的資質。紀冰說，“關鍵原因在於電動自行車鋰電池缺少標準，這讓大型的鋰電池廠家不敢供貨，一旦出現問題沒辦法認定責任”。
2018年12月，國家標準化管理委員會發佈了國家推薦標準《電動自行車用鋰離子蓄電池》。但由於該標準是推薦性標準，約束力有限，電動自行車企業可以選擇不執行。
紀冰說，在電池生產商向電動自行車供貨意願不足的情況下，部分廠家選擇從鋰電池生產企業購入電芯，自己配組成電池。更有甚者，部分小型的鋰電池廠家已經做起了這部分生意。
陳永翀說，“早期一些生產汽車鋰電池的大廠，會將電壓相近、內阻一致的A品電池打包、組配好賣給汽車整車廠，而把內阻、電壓參差不齊的所謂B品電池賣給一些沒有鋰電池生產資質的小廠。這些小廠再將電池串並聯成組，賣給一些小品牌電動車整車廠和諸如維修點、銷售門店等二級市場。”
鋰電池是由多個電芯並聯或串聯組成，如果要電池整體運行順暢，電芯的一致性就必須好。一致性差的電池在長期使用後，電芯的參數差異會增加。紀冰解釋，“就好像水桶的容量取決於最短的板子，電池的質量取決於最差的那支電芯”。電動自行車廠家受制於購入電芯的基數不夠大和相關技術問題，電池的性能往往不佳。
除了上游電池供應不足以外，電動自行車廠家對鋰電池高企的價格也望而生畏。受到原材料金屬價格上漲的影響，鋰電池價格在2020年末進入上升通道，以碳酸鋰為例，2023年1月價格已經是兩年前的十倍以上。
紀冰說，“現在行業內一組48伏24安時的正規鋰電池大概在2000元左右，幾乎就是電動自行車的整車零售價格”。在這種情況下，電動自行車廠家自然要在控制電池成本上想辦法。
一邊是大量亟需找到回收路徑的廢舊電池，另一邊是電動自行車生產中巨大的鋰電池進貨缺口和控制成本的需求。紀冰說，這兩年大量的電動自行車使用了拆機電池，即對電動汽車廢舊電池重新組裝後的電池。
由於電芯和電路老化，拆機電池的性能不穩定，再加上一些小廠家採用簡陋的方式組裝品質參差不齊的電芯，在電芯間的絕緣、防撞、防穿刺和電池管理系統上節省成本，拆機電池的不良使用大大增加了事故風險。
3
從充電樁到換電櫃
解決電動自行車安全問題的一個思路是管理事故風險和減小事故代價。
近年來，戶外的公共充電和換電樁逐漸成為剛需。實現車輛或者電池的集中隔離充電，一來可以使用技術措施保護電池，二來在事故發生時可以減小對生命和財產的損害。
2021年，應急管理部《高層民用建築消防安全管理規定》明確，禁止在高層民用建築公共門廳、疏散走道、樓梯間、安全出口停放電動自行車或者為電動自行車充電，鼓勵在高層住宅小區內設置電動自行車集中存放和充電的場所，很大程度上促進了電動自行車公共充電設施的推廣和建設。
電池充電時電壓較高，是電動自行車起火風險較大的時候，在戶外充電可以很大程度的保護用戶的生命安全。但是倪捷認為，目前戶外充電樁、櫃的建設還不足，更重要的是充電設施簡單，缺乏對電池數據監測的功能。不少鋰電池櫃設置在高密度居民樓下，有的靠近火源、有的電線暴露，其中有些電池已十分破舊仍在使用。
沒有行業標準和監管措施來規範化建設和運營，導致戶外充電區域的事故風險仍然很高。有沒有更加方便、智能和安全的充電方式呢？
換電模式近來受到廣泛關注，相較於傳統的充電模式，它將電池統一管理，通過數據化監測讓充電更安全。同時，換電節省了用戶的時間，也相當於延長了續航能力，比如，希望在送單高峰期節約時間和連續騎行的外賣騎手就對換電模式青睞有加。
以某頭部換電品牌的產品為例，為了打通整個換電流程，需要完成換電櫃安置、統一鋰電池的配置和用戶電動自行車改造，還需要聯合電動自行車廠家生產配套的電動自行車，為部分用戶提供電動自行車的購買和租賃服務。
電池被放置在較為密閉和恆溫的換電櫃倉格內充電，倉格內置火情監測裝置、滅火器和自動斷電開關，在低溫或雷雨天氣下可以一定程度上安全充電，恆溫系統可以避免低溫充電產生的鋰枝晶問題。換電櫃裝有數據化的監測系統，對於充電電池的實時監測可以有效避免出現過充情況。總的來說，目前市面上換電櫃的充電環境要優於一般充電樁。
為了更方便和快捷地換電，換電櫃需要在城市中相對密集分佈。同時，用戶需要配備可換電的電動自行車，或者直接在門店中將原有電池換為換電電池。《知識分子》在北京多家電動自行車門店瞭解到，一般情況下，車輛原來配有48V鋰電池且電池倉空間足夠放下換電電池，就可以更換電池。如果用戶的原有車輛不適合換電，也可選擇在門店購買或租用配套的電動自行車。
倪捷認為，鋰離子電池的電動自行車最終需要做到“車充分離”。但是目前換電行業距離全面普及的目標還很遙遠且面臨很大困難，最重要的是沒有統一的充換電技術和市場的准入標準，其次換電模式在外賣騎手中較受歡迎，但是普通用戶的接受度不高，如何改變用戶習慣是讓換電模式發揮保障安全充電作用的重要前提。
4
電池技術路線的兩難抉擇
“新國標”曾是對動力電池技術的一次大考，鋰離子電池挺身而出卻沒能交出完美的答卷，繼續發展還是轉換賽道是擺在業界面前的難題。
中國科學院物理研究所研究員黃學傑告訴《知識分子》，不同目標應用場景下，電池技術有著不同的優選解決方案。磷酸鐵鋰電池比三元鋰電池的能量密度低，因此目前續駛里程要求不高的車輛常採用磷酸鐵鋰電池，而三元鋰電池更多被售價更高、一次充電行駛里程更長的車輛採用。
黃學傑說，“電池性能的提升只是電池技術發展的一個要求，資源的節約或者資源稀缺型元素的替代尤為重要。”他認為，磷酸鐵鋰電池可以向5V尖晶石鎳錳酸鋰電池做技術升級，新電池具有更高的能量密度、更好的低溫性能和更高的鋰資源利用率以及成本優勢；而高能量密度的鎳酸鋰/合金化負極動力電池省去了三元鋰電池中資源稀缺的鈷，可做到了大幅提升性能的同時降低成本，可作為三元鋰電池的“升級款”。
固態鋰電池採用固體電解質代替了原來的電解液和隔膜，是新型變革性電池，目前尚處在實驗室研發向實際應用發展的階段，可能在今後幾十年或者更長時間才能實現規模應用。固態鋰電池大大降低了電池熱失控風險，在安全性上有根本性的提高，同時還有望提升能量密度。華中科技大學教授黃雲輝強調，“電池的安全關係到車輛的安全，我們在提升電池能量密度的同時一定要考慮它的安全性”。
一方面，鋰枝晶在固態電解質中生長緩慢且難刺透電解質，避免了鋰枝晶生長造成的短路現象；另一方面，固態電解質熱穩定性強，避免了隔膜熱變形造成的短路問題。此外，固態電解質不可燃，一般不會引發類似傳統鋰離子電池有機電解液的劇烈燃燒甚至爆炸。
對於固態電池特別是全固態電池，由於採用固態電解質，電池負極一般不採用鋰脫嵌型石墨，而直接使用金屬鋰負極，由於金屬鋰負極的超高比容量，可顯著減輕負極材料的用量，很大程度上提升了電池的能量密度；再加上固態電池可以簡化封裝和冷卻系統，可以進一步減輕電池重量，因此應用於電動汽車和電動自行車後，不僅能顯著提升安全，還能有效解決里程焦慮。
但固態電池的開發和應用面臨技術和成本等多重難題。
固態電解質的電導率比原來低1-2個數量級，全電池的阻抗大，導致循環性能差。鋰電池的電極材料在充放電時會發生膨脹和收縮，固態電池也是這樣，液態電解液和電極接觸好，而固態電解質和電極難以保持長期穩定的接觸，這會增大電池的內阻，影響電池性能。因此，不少企業選擇半固態電池或固液電池的發展路線，逐步減少電解液用量。添加部分固態電解質成分的半固態鋰離子電池在安全性方面可望得到改進，行業內多數企業均在開發相關技術。
由於固態電解質還存在離子電導率低、與電極材料的界面兼容性較差等問題，難以批量生產，加之固態電池的製備技術不夠成熟，目前還很難實現規模生產和應用，即使有試產或小規模生產，也成本高企，制約了其規模生產和應用。
除了停留在鋰離子電池上想辦法，隨著鋰的資源制約問題越來越突出，學術界和產業界將目光投向了其他二次電池體系，特別是——鈉。
鈉離子電池具有成本低、倍率性能好、低溫容量保持率高等優點。特別是鈉的資源豐富、提煉相對簡單，相比於價格高企的鋰電，成本優勢明顯。鈉離子電池的能量密度雖不及三元鋰離子電池，但與錳酸鋰電池相當，有望媲美磷酸鐵鋰電池，是一個很好的發展方向，未嘗不是一個好的發展方向。
在元素週期表中，Li和Na屬於同一主族元素並且具有相似的化學性質，鈉離子電池也具有和鋰離子電池相似的工作原理，鈉離子同樣是通過在正負極之間的嵌入和脫出實現氧化還原反應。鈉離子電池的正極材料很大程度上決定了電池的能量密度，目前主要有層狀過渡金屬氧化物、普魯士藍類化合物和聚陰離子類化合物三種，前兩種材料的比容量相對較高，產業化應用前景廣闊。
鈉離子電池的負極材料是充放電過程中離子和電子的載體，決定了能量儲存與釋放效率，鋰離子電池商用的石墨負極無法實現鈉離子的有效嵌入和脫出，主要使用層間距更大的無定形碳特別是硬碳作為負極材料。
目前，鈉離子電池還沒有規模應用到電動汽車或電動自行車上。黃雲輝提到，“現在鈉離子電池已經在逐漸走向實際應用，應該會在兩三年內在應用方面取得突破性進展。”倪捷也認為，鈉離子電池的技術現在不是問題，問題是供應鏈產業鏈還沒有形成，正負極材料均沒有實現穩定生產。
但是紀冰卻認為，在鋰離子電池產業鏈成熟的情況下，鈉離子電池市場前景堪憂，“就好像我寫的鋼筆字挺好的了，今天突然說以後改成練毛筆字，我肯定不會改”。
參考文獻：（上下滑動可瀏覽）
1. https://www.119.gov.cn/qmxfxw/mtbd/spbd/2022/33260.shtml
2. https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_20484086
3.https://www.mempe.org.cn/zhuantixinxi/show-72356.html
4. https://www.bj.chinanews.com.cn/news/2022/0615/86752.html
5.付朋.鋰離子電池：後發先至 獨佔鰲頭[J].中國海關,2022,(07):64-65.
6.《中國兩輪電動車行業白皮書》，艾瑞諮詢
7.張永鋒,俞越,張賓,趙俊,許衛疆,周青元,李泉.鉛酸電池現狀及發展[J].蓄電池,2021,58(01):27-31.DOI:10.16679/j.cnki.21-1121.2021.01.007.
8. 安富強,趙洪量,程志,邱繼一承,周偉男,李平.純電動車用鋰離子電池發展現狀與研究進展[J].工程科學學報,2019,41(01):22-42.DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.003.
9.馬金秋. 匹配不同動力電池的純電動汽車全生命週期評價研究[D].長安大學,2019.
10.祝問遙,邵偉光,王新華,李華,葉海木,蔡利海.耐高溫鋰離子電池隔膜材料應用現狀及發展[J].中國塑料,2021,35(03):151-160.DOI:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.03.020.
11.《電池回收：行業逐步規範，長期利好》，華泰研究
12. https://openstd.samr.gov.cn/bzgk/gb/newGbInfo?
13.hcno=DF8EC6E60B0C373BA981398F69CDA0EC
14. https://yte1.com/datas/tansuanli-pri
15.https://www.mem.gov.cn/gk/zfxxgkpt/fdzdgknr/202106/t20210625_389980.shtml
16. 劉魯靜,賈志軍,郭強,王毅,齊濤.全固態鋰離子電池技術進展及現狀[J].過程工程學報,2019,19(05):900-909.
17. 容曉暉,陸雅翔,戚興國,周權,孔維和,唐堃,陳立泉,胡勇勝.鈉離子電池：從基礎研究到工程化探索[J].儲能科學與技術,2020,9(02):515-18.522.DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0054.
18.522.DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0054.
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