電動自行車火災(zāi)事故頻發(fā)，是鋰電池之過嗎？
責(zé)編丨馮灝
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2月23日凌晨，南京一小區(qū)電動車起火引發(fā)了一場火災(zāi)，造成了一場15人遇難，44人受傷的慘烈事故。
電動自行車起火造成的人員傷亡并非孤例。
2022年10月，上海一居民樓室內(nèi)鋰離子電池在室內(nèi)充電的過程中發(fā)生故障熱失控引發(fā)火災(zāi)，造成2人死亡；
2022年7月，江蘇某地車棚內(nèi)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毀。
2021年9月，北京通州區(qū)某小區(qū)內(nèi)一輛電動自行車在陽臺充電時爆炸引發(fā)火災(zāi)，致使居住在樓上的5人被燒死或一氧化碳中毒死亡。
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2023年，全國消防救援局共接報電動自行車火災(zāi)2.1萬起，相比2022年上升17.4%。目前我國兩輪電動自行車保有量至少已有3.5億輛。
到今年4月，《電動自行車安全技術(shù)規(guī)范》（以下稱“新國標(biāo)”）就已經(jīng)推行整五年，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(guān)的火災(zāi)事故仍是交通工具火災(zāi)中的突出問題。
《知識分子》結(jié)合最新及此前對多位專家和業(yè)內(nèi)人士的訪談，對電動自行車電池安全問題做了一些分析。
觸目驚心的事故報道和傷亡數(shù)字的背后，浙江綠源電動車有限公司總裁倪捷認(rèn)為，有必要具體分析電動自行車火災(zāi)的原因。
他將電動自行車的火災(zāi)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(biāo)”前生產(chǎn)的低標(biāo)準(zhǔn)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(xù)航和配速自行改裝，之后出現(xiàn)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(fā)生意外。
第四類則是車輛和電池在設(shè)計和制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(tǒng)設(shè)計和電池本身的安全性能等。
倪捷說，“根據(jù)我的調(diào)查和估計，這四類火災(zāi)事故中，前三類各占十分之三左右，最后一類占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于車輛固有的安全隱患，但是倪捷認(rèn)為，第四類事故才是電動自行車的生產(chǎn)端真正可以發(fā)力解決的。
“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。
艾瑞咨詢的數(shù)據(jù)顯示，2021年，中國的鋰電兩輪電動車銷量達960萬輛，鋰電銷量占比23.4%。
鉛酸電池曾在電動自行車中廣泛應(yīng)用，其主要優(yōu)點在于成本低、安全穩(wěn)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(yīng)用十分成熟，是電動自行車電池的主力軍，市場規(guī)模接近500億元。
2019年后，鋰電池逐步搶占了鉛酸電池的市場，并且有逐年上漲的趨勢。
事實上，在電動自行車之外，鋰離子電池在電動汽車領(lǐng)域已經(jīng)有了很好的應(yīng)用，國產(chǎn)的鋰離子電池已經(jīng)占領(lǐng)了全球市場的大部。工信部賽迪研究院發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2021年底，中國動力電池產(chǎn)能約占全球的70%，世界十大鋰電池廠家當(dāng)中，中國占據(jù)六席。
中國科學(xué)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(fā)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(dāng)?shù)那闆r下，電池連接線發(fā)生的自燃。當(dāng)然，在極個別情況下，例如充電器控制失效，也會導(dǎo)致鉛酸電池過度充電，進而電池發(fā)熱、鼓脹甚至燃燒和爆炸。”
鋰離子電池最主要的優(yōu)點就在于能量密度高，相對鉛酸電池更輕，使用壽命更長。2018年5月發(fā)布的“新國標(biāo)”對電動自行車的重量做了嚴(yán)格的限制。由此，原本在電動自行車領(lǐng)域不受青睞的鋰離子電池得到快速應(yīng)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(guī)模應(yīng)用的安全問題埋下了隱患。
以不同技術(shù)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。尤其是三元鋰電池，由于能量密度高，是電動自行車領(lǐng)域的“新貴”，但其缺點也相當(dāng)致命：安全性較差，電池短路后容易發(fā)生燃燒和爆炸。
盡管性能上有所差別，但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(dǎo)率下降，導(dǎo)致電極和電解液界面間鋰離子擴散和電荷轉(zhuǎn)移較緩慢，容易在負(fù)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(xù)降低電池使用容量，一旦其尖銳的頭部刺穿隔膜，造成內(nèi)部正負(fù)極短路，就很容易引發(fā)起火和爆炸。
鋰離子采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(tài)轉(zhuǎn)變成流動態(tài)，導(dǎo)致正負(fù)極直接接觸，劇烈放電，引發(fā)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”。
A品電池賣給汽車廠
電動自行車廠得到B品電池
蘇州賽諾伊電動科技有限公司總經(jīng)理紀(jì)冰告訴《知識分子》，目前市面上電動自行車的電池質(zhì)量良莠不齊，總體來說遠不如電動汽車電池，背后的原因是電池供應(yīng)困難、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)缺失和價格內(nèi)卷，暴露的問題反映了產(chǎn)業(yè)鏈的不成熟。
目前國內(nèi)大型的鋰電池生產(chǎn)企業(yè)（如寧德時代、比亞迪、國軒等）所生產(chǎn)的電芯主要供給有資質(zhì)的新能源汽車企業(yè)。
很多所謂的電動自行車鋰電生產(chǎn)企業(yè)，幾乎都不具備向上游的大型電芯生產(chǎn)企業(yè)進貨的資質(zhì)。
紀(jì)冰說，“關(guān)鍵原因在于電動自行車鋰電池缺少標(biāo)準(zhǔn)，這讓大型的鋰電池廠家不敢供貨，一旦出現(xiàn)問題沒辦法認(rèn)定責(zé)任”。
2018年12月，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布了國家推薦標(biāo)準(zhǔn)《電動自行車用鋰離子蓄電池》。但由于該標(biāo)準(zhǔn)是推薦性標(biāo)準(zhǔn)，約束力有限，電動自行車企業(yè)可以選擇不執(zhí)行。
紀(jì)冰說，在電池生產(chǎn)商向電動自行車供貨意愿不足的情況下，部分廠家選擇從鋰電池生產(chǎn)企業(yè)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(jīng)做起了這部分生意。
陳永翀說，“早期一些生產(chǎn)汽車鋰電池的大廠，會將電壓相近、內(nèi)阻一致的A品電池打包、組配好賣給汽車整車廠，而把內(nèi)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(chǎn)資質(zhì)的小廠。這些小廠再將電池串并聯(lián)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?！?/span>
鋰電池是由多個電芯并聯(lián)或串聯(lián)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后，電芯的參數(shù)差異會增加。紀(jì)冰解釋，“就好像水桶的容量取決于最短的板子，電池的質(zhì)量取決于最差的那支電芯”。電動自行車廠家受制于購入電芯的基數(shù)不夠大和相關(guān)技術(shù)問題，電池的性能往往不佳。
除了上游電池供應(yīng)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(jīng)是兩年前的十倍以上。
紀(jì)冰說，“現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)一組48伏24安時的正規(guī)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。紀(jì)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后的電池。
由于電芯和電路老化，拆機電池的性能不穩(wěn)定，再加上一些小廠家采用簡陋的方式組裝品質(zhì)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(tǒng)上節(jié)省成本，拆機電池的不良使用大大增加了事故風(fēng)險。
戶外充電安全悖論
一般認(rèn)為，禁止電動車入戶，禁止在室內(nèi)充電能減少大部分安全隱患。電池充電時電壓較高，是電動自行車起火風(fēng)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。
2021年，應(yīng)急管理部《高層民用建筑消防安全管理規(guī)定》明確，禁止在高層民用建筑公共門廳、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(qū)內(nèi)設(shè)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(shè)施的推廣和建設(shè)。
近年來，戶外的公共充電和換電樁逐漸成為剛需。實現(xiàn)車輛或者電池的集中隔離充電，一來可以使用技術(shù)措施保護電池，二來在事故發(fā)生時可以減小對生命和財產(chǎn)的損害。
但一個問題在于，很多電動兩輪車廠商的產(chǎn)品說明書和客服會明確要求，“零度以下不能充電”。
清華大學(xué)交通研究所副所長楊新苗解釋說，這是因為低溫充電會帶來安全風(fēng)險。低溫下給鋰電池充電就會在導(dǎo)致鋰離子在負(fù)極析出，就是長出來白色的鋰附在負(fù)極上。隨著鋰電池使用，還會生長，這就是鋰枝晶。其頭部是尖銳的，生長過程中會慢慢刺穿隔膜。由于它是導(dǎo)電的，一旦刺穿隔膜，就形成內(nèi)部短路，電池就發(fā)生起火和爆炸。
理論上說，只要出現(xiàn)零度以下充電，就有可能在未來使用中電池發(fā)生問題。電池行業(yè)認(rèn)為一旦發(fā)生析鋰，鋰電池就變成了不穩(wěn)定的炸彈。
但是，在我國北方冬季戶外的氣溫低于零度是常態(tài)化的，有人在網(wǎng)上真誠發(fā)問，“想問不在家里充電，能在什么其他地方充電呢？”
另外，倪捷認(rèn)為，目前戶外充電樁、柜的建設(shè)還不足，更重要的是充電設(shè)施簡單，缺乏對電池數(shù)據(jù)監(jiān)測的功能。不少鋰電池柜設(shè)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管措施來規(guī)范化建設(shè)和運營，導(dǎo)致戶外充電區(qū)域的事故風(fēng)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(guān)注，相較于傳統(tǒng)的充電模式，它將電池統(tǒng)一管理，通過數(shù)據(jù)化監(jiān)測讓充電更安全。同時，換電節(jié)省了用戶的時間，也相當(dāng)于延長了續(xù)航能力，比如，希望在送單高峰期節(jié)約時間和連續(xù)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(chǎn)品為例，為了打通整個換電流程，需要完成換電柜安置、統(tǒng)一鋰電池的配置和用戶電動自行車改造，還需要聯(lián)合電動自行車廠家生產(chǎn)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(wù)。
電池被放置在較為密閉和恒溫的換電柜倉格內(nèi)充電，倉格內(nèi)置火情監(jiān)測裝置、滅火器和自動斷電開關(guān)，在低溫或雷雨天氣下可以一定程度上安全充電，恒溫系統(tǒng)可以避免低溫充電產(chǎn)生的鋰枝晶問題。換電柜裝有數(shù)據(jù)化的監(jiān)測系統(tǒng)，對于充電電池的實時監(jiān)測可以有效避免出現(xiàn)過充情況?？偟膩碚f，目前市面上換電柜的充電環(huán)境要優(yōu)于一般充電樁。
為了更方便和快捷地?fù)Q電，換電柜需要在城市中相對密集分布。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?fù)Q為換電電池?！吨R分子》在北京多家電動自行車門店了解到，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?lián)Q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(rèn)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(yè)距離全面普及的目標(biāo)還很遙遠且面臨很大困難，最重要的是沒有統(tǒng)一的充換電技術(shù)和市場的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，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(xí)慣是讓換電模式發(fā)揮保障安全充電作用的重要前提。
鋰電池之外，答案尚不清晰
“新國標(biāo)”曾是對動力電池技術(shù)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(xù)發(fā)展還是轉(zhuǎn)換賽道是擺在業(yè)界面前的難題。
轉(zhuǎn)換到哪里？固態(tài)鋰電池采用固體電解質(zhì)代替了原來的電解液和隔膜，是新型革命性電池，其大大降低了電池?zé)崾Э仫L(fēng)險，在安全性上有根本性的提高。華中科技大學(xué)教授黃云輝解釋說，一方面，鋰枝晶在固態(tài)電解質(zhì)中生長緩慢且難刺透電解質(zhì)，避免了鋰枝晶生長造成的短路情況；另一方面，固態(tài)電解質(zhì)熱穩(wěn)定性強，避免了隔膜變性造成的短路問題。此外，固態(tài)電解質(zhì)的可燃性較差，難以引發(fā)類似鋰離子電池有機電解液的劇烈燃燒或爆炸。
但是，固態(tài)鋰電池尚處在實驗室研發(fā)階段，可能在十年或者更長時間后才能應(yīng)用。目前，固態(tài)電池的開發(fā)面臨技術(shù)和成本的雙重難題。
固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率比原來低1-2個數(shù)量級，全電池的阻抗大，導(dǎo)致循環(huán)性能差。鋰電池的電極材料在充電時膨脹，放電時收縮，固態(tài)電池也是這樣，但區(qū)別是液態(tài)電解液和電極接觸較好，固態(tài)電解質(zhì)和電極的界面難以保持長期穩(wěn)定的接觸，這會增大電池的內(nèi)阻。因此，部分企業(yè)選擇先從半固態(tài)電解液，即減少電解液用量開始發(fā)展。添加部分固態(tài)電解質(zhì)成分的半固態(tài)鋰離子電池在安全性方面可望得到改進，行業(yè)內(nèi)多數(shù)企業(yè)均在開發(fā)相關(guān)技術(shù)。
加入的固態(tài)電解質(zhì)增加了成本，而且一些電解質(zhì)中含有稀有金屬，這使得全固態(tài)甚至半固態(tài)電池的成本很難與有機電解液電池相當(dāng)?？偟膩碚f，固態(tài)電池的工藝路線尚不成熟，降本仍需一段過程。
除了停留在鋰離子電池上想辦法，已經(jīng)有科學(xué)家將目光投向其他金屬——鈉。
鈉離子電池具有成本低、安全性高、熱穩(wěn)定性優(yōu)異的優(yōu)點。鈉電資源豐富，提煉簡單，相比于價格高企的鋰電，成本優(yōu)勢明顯；鈉離子電池的內(nèi)阻較大，瞬時發(fā)熱量較小，發(fā)生熱事故的風(fēng)險更小；它的能量密度與錳酸鋰電池相當(dāng)，不及三元鋰電池，但是在鋰資源矛盾突出和部分鋰離子電池安全問題的背景下，未嘗不是一個好的發(fā)展方向。
在元素周期表中，Li和Na屬于同一主族元素并且具有相似的化學(xué)性質(zhì)，鈉離子電池也具有和鋰離子電池相似的工作原理，同樣通過正離子在正負(fù)極之間的嵌入和脫出實現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移。鈉離子電池的正極材料為電池提供了離子源，它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，前兩種材料的能量密度相較第三種材料高，產(chǎn)業(yè)實踐也相對較多。
負(fù)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，由于鈉離子半徑比鋰離子半徑更大，無法在石墨中有效嵌入和脫出，因此目前主要使用層間距更大的無定形碳作為負(fù)極材料。
目前，鈉離子電池還沒有用到電動汽車或電動自行車上。黃云輝提到，“現(xiàn)在鈉離子電池已經(jīng)走在實際應(yīng)用的一個臨界點，應(yīng)該會在兩三年內(nèi)在應(yīng)用方面又更大的進展。”倪捷也認(rèn)為，鈉離子電池的技術(shù)現(xiàn)在不是問題，問題是供應(yīng)鏈沒有形成，主要是負(fù)極的生產(chǎn)還沒有穩(wěn)定，因此成本較高。
但是紀(jì)冰卻認(rèn)為，在鋰離子電池產(chǎn)業(yè)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，今天突然說以后改成練毛筆字，我肯定不會改”。
黃云輝說，電池的安全技術(shù)關(guān)系到車輛的安全，我們在考慮電池能量密度的同時一定要考慮它的安全性。但目前而言，電動自行車電池爆炸，依然沒有完美的技術(shù)解決方案。
參考文獻：
