近年來，在國家補貼政策和消費者喜好的影響下，新能源汽車企業(yè)紛紛把增加續(xù)航作為主要的目標。值得一提的是，在續(xù)航里程要求不斷增加的背后，新能源汽車普遍采用的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池技術并未實現(xiàn)同等水平的提升。

中國汽車工程學會常務副理事長兼秘書長張進華直言，續(xù)航里程和技術的先進性，不是完全正相關。企業(yè)片面對續(xù)航里程的追求，使得動力電池發(fā)展失去科學性。分析電動汽車起火背后的原因，不難發(fā)現(xiàn)大部分原因指向動力電池，既有電池本身的質量問題，也有材料特性造成的結果。

采用三元鋰電池的某知名品牌的電動汽車雖然電池管理系統(tǒng)很強大，但由于三元鋰電池的穩(wěn)定性天生相對差，即使其采用了加強了外護板、冷卻系統(tǒng)等方面的安全保護設計，但仍然難以完全避免特斯拉電動汽車的自燃事故發(fā)生。

由此可見，電池材料技術路線也是導致新能源汽車起火頻發(fā)的重要因素。眾多研究資料表明，以碳材料為負極的鋰離子電池，由于碳電極與金屬鋰的電位接近，當電池過充電時容易在碳電極表面析出金屬鋰形成鋰枝晶，鋰枝晶會刺穿隔膜引起短路。

根據某消防單位總結，新能源汽車發(fā)生燃燒主要有以下四種場景：充電過程中燃燒、電池行駛或放置過程中引發(fā)的燃燒、碰撞翻車引發(fā)的燃燒、涉水引發(fā)的燃燒，而充電過程或充電結束后產生燃燒的情況是最多。

新能源汽車的安全性呼喚動力電池多元化

多起事故警示新能源汽車產業(yè)唯續(xù)航、唯密度的發(fā)展模式該停下來了。事實上，近年來，一種以安全見長的電池技術也正在受到業(yè)界重視。研究人員發(fā)現(xiàn)，鈦酸鋰材料作為負極，能吸收正極發(fā)生分解反應釋放出的氧氣，大幅度降低了電池熱失控的風險;晶型結構幾乎不會發(fā)生變化，在電池充放電反應中不易產生金屬活動性強的鋰晶枝，大大避免了鋰枝晶刺穿隔膜引起短路、因而，鈦酸鋰電池在高溫、低溫環(huán)境中均可以達到安全使用標準。

目前，這一項技術已經成熟并廣泛應用于公交車等需要極高安全穩(wěn)定的公共場所領域。以國內最大的鈦酸鋰電池生產商銀隆新能源為例，裝配高安全性、高穩(wěn)定性的鈦酸鋰電池公交車早已在北京、包頭、南京等多個城市運營。

業(yè)內專家表示，長期以來鈦酸鋰電池續(xù)航短板被夸大，事實上，隨著未來城市充電設施覆蓋的不斷完善，具備高安全、長壽命、快充放的鈦酸鋰電池將成為新能源汽車尤其客車領域的重要突破口，將推動整個能源及新能源汽車格局的變化。在確保安全運行的同時，改善能源存儲和延長電池壽命的巨大挑戰(zhàn)正變得越來越重要，因為從便攜式設備到電動汽車，我們對這種能源的依賴越來越大。由材料科學與工程助理教授袁洋領導的哥倫比亞大學工程團隊于2019年4月22日宣布，他們已經開發(fā)出一種新的方法，通過植入氮化硼納米涂層來穩(wěn)定鋰金屬電池中的固體電解質，從而安全延長電池壽命，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《焦耳》上。傳統(tǒng)鋰離子電池目前廣泛應用于日常生活中，但其能量密度較低，導致電池壽命較短。

并且由于電池內部含有高度易燃的液體電解質，可能會短路甚至起火。用鋰金屬代替鋰離子電池中使用的石墨陽極，可以提高能量密度：鋰金屬的理論充電容量比石墨高近10倍。但在電鍍鋰的過程中，樹突往往會形成，如果它們穿透電池中間的隔膜，就會造成短路，引發(fā)人們對電池安全的擔憂。研團隊決定專注于固體陶瓷電解質，與傳統(tǒng)的鋰離子電池中的易燃電解質相比，它們在提高安全性和能量密度方面顯示出巨大的潛力。對可充電固態(tài)鋰電池特別感興趣，因為它們是下一代能源存儲的有前景的候選產品，大多數固體電解質是陶瓷的，因此不易燃，消除了安全隱患。

一種人造氮化硼(BN)薄膜在化學和機械上都能抵抗鋰，它通過電子方式將磷酸鋁鈦鋰(LATP)與鋰隔離，但在被聚氧乙烯(PEO)滲透時仍能提供穩(wěn)定的離子通道，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)。圖片：QianCheng/ColumbiaEngineering此外，固體陶瓷電解質具有較高的機械強度，實際上可以抑制鋰枝晶的生長，使鋰金屬成為電池陽極的涂層選擇。然而，大多數固體電解質對鋰離子不穩(wěn)定，易被金屬鋰腐蝕，不能用于電池。該論文的第一作者、應用物理和應用數學學系博士后科學家錢成(音譯)說：鋰金屬對于提高能量密度是不可缺少的，所以我們能夠將它用作固體電解質的陽極至關重要。為了使這些不穩(wěn)定的固體電解質適應實際應用，需要開發(fā)一個化學和機械上穩(wěn)定界面來保護這些固體電解質免受鋰陽極的傷害。

為了運輸鋰離子，界面不僅要具有高度的電子絕緣性，而且還要具有離子導電性，這是至關重要的。此外，該接口必須超薄，以避免降低電池的能量密度。為了應對這些挑戰(zhàn)，該團隊與布魯克海文國家實驗室(BrookhavenNationalLab)和紐約城市大學(CityUniversityofNewYork)同事合作。沉積了5~10nm的氮化硼(BN)納米膜作為保護層，隔離金屬鋰與離子導體(固態(tài)電解質)之間的電接觸，并加入少量聚合物或液體電解質滲入電極/電解質界面。選擇BN作為保護層，因為它在化學和機械上與金屬鋰穩(wěn)定，提供了高度的電子絕緣。設計氮化硼層具有內在缺陷，鋰離子可以通過它，使它成為一個優(yōu)秀的分離器。

（圖示）左圖顯示接觸到鋰金屬的磷酸鋁鈦鋰(LATP)顆粒會立即被還原，鋰與固體電解質之間嚴重的副反應會使電池在幾個周期內發(fā)生故障。右邊顯示的是一種人造氮化硼薄膜，它在化學和機械上都能抵抗鋰。它通過電子方式將LATP與鋰隔離，但當被聚乙烯氧化物(PEO)滲透時，仍能提供穩(wěn)定的離子通道，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)。圖片：QianCheng/ColumbiaEngineering

此外，化學氣相沉積法制備氮化硼容易形成大尺度(~dm級)、原子薄尺度(~nm級)和連續(xù)薄膜。雖然早期研究使用厚度僅為200微米的聚合物保護層，但新研究厚度僅為5~10納米的BN保護膜在這種保護層極限下仍然很薄，而不會降低電池的能量密度。這是一種完美的材料，可以作為一種屏障，防止金屬鋰侵入固態(tài)電解質。就像防彈背心一樣，開發(fā)了一種針對不穩(wěn)定固體電解質的鋰金屬防彈背心，通過這項創(chuàng)新，實現(xiàn)了長循環(huán)壽命的鋰金屬電池。研究人員目前正在將新方法擴展到不穩(wěn)定固體電解質的廣泛范圍，并進一步優(yōu)化界面，希望制造出高性能、長循環(huán)的電池.