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今天想要跟大家聊聊蔚来和蔚来的着火及召回事件，为此我找到一位在某电池大厂工作的工程师朋友，我们聊了一下午，我问了他4个问题，他给了我很多干货，今天想要分享给你。内容有点硬核，文章有3000多字，对蔚来着火事件感兴趣的话，请耐心看。 蔚来近期自燃、召回已经路人皆知。 4月22日，西安一辆正在维修的蔚来ES8自燃；  5月16日，上海嘉定区一居民小区，一辆正在充电的ES8自燃；  烧了2辆后，蔚来突然宣布采取临时措施，把充电的总电量控制在90%，网友开始质疑“续航一共就355公里，还限制？” 事情远比你想象的复杂，在这之后的6月14日，武汉汉西建材市场一辆ES8自燃；  这么烧下去谁hold得住？ 6月27日，蔚来宣布召回4803辆ES8。 说来也巧，宣布召回当天，河北石家庄地库又着了一辆ES8，而且正好这辆车在召回范围内。。。  国家市场监督管理总局的公告里，是这样说的：电池包搭载的模组内的电压采样线束，存在走向不当的情况，可能被模组上盖板挤压，导致被挤压的电压采样线束表皮绝缘材料磨损。极端情况下会短路，存在安全隐患。  很多网友表示看得一脸懵，蔚来设计好的电池包模组线束，为什么会被上盖板挤压？  趁着召回，蔚来的电动力工程副总裁黄晨东，在他们的官方APP回答了一堆问题，其中就提到了这个，顺便说了下为什么会把SOC控制在90%： “SOC越低，电芯膨胀程度就越低，线束受损的可能性也就越低。”  这句话翻译过来大概就是：我充电充满了，电池会变大？变大就会受到挤压？然后就容易着火？ 这也是目前很多人对蔚来最不满的地方，因为在我们的认知中“充个电电池还会变大”这种事情，太反常识了。因此在舆论上，很多人都觉得蔚来在拿用户当猴耍。 部分车主and围观群众内心OS：  离蔚来第一次着火的时间已经过去了2个半月，离召回也已经过去了1周多时间，截止到发稿前，我们还没有收到蔚来官方更详细的技术解释说明，但粉丝群里仍然还有不少人在问到底是什么原因。 （进粉丝群，请添加微信zhizhizhi666666）  （召回当天，电动车公社与蔚来高层的交流） 为此，我找到了一个在某电池大厂工作的工程师朋友，我直接丢给了他4个问题： 1、蔚来找的电池膨胀理由，到底有没有道理？ 2、电池真的会膨胀那么厉害，以至于挤压到线束，让蔚来不得不召回吗？ 3、能不能解决电池膨胀的问题？ 4、蔚来到底错没错？ 我们讨论了一下午，我也有很多收获，今天我就将他告诉我的东西，分享给大家。（内容有点硬核，感兴趣请耐心看） 1、 第一个问题： 蔚来找的电池膨胀理由，到底有没有道理？ 工程师朋友给的回答是：“有道理。充电放电，锂离子往复穿梭，所以锂离子电池也被称为‘摇椅式’。不论是正极还是负极，在锂离子进入的时候体积都会发生微微的膨胀，锂离子离开的时候则体积会缩小。” 不太清楚充放电基本原理的同学，我可以带大家简单翻译一下以上硬核知识：（了解的同学直接跳过本段） 当你正在手机上看这篇文章的时候，手机的电量正在减少，这个过程简单理解就是锂离子在电池内部，从负极到正极的过程。 当负极里的锂离子释放到一定程度之后，手机就会显示“电量不足”。这时候我们的常规操作就是，插上充电器继续看文章。 充电的过程和放电相反，充电是让锂离子从正极又回到负极。  那么问题来了：这和蔚来说的膨胀有什么关系？ 我说我和一部分粉丝朋友可能无法理解太复杂的原理和概念，工程师朋友告诉我，可以把正极和负极想象成两个橡胶做成的书架，而锂离子就像一本本书。 锂离子在正负极之间跑来跑去，可以理解为把书从负极书架搬到正极书架，再从正极书架搬到负极书架。当你把大量的书塞进这个橡胶书架的时候，书架一定会被书撑得膨胀起来。拿走书时，体积又回缩小。 在电池中也一样：不论是正极还是负极，在锂离子进入的时候体积都会发生微微的膨胀，锂离子离开的时候则体积会缩小。 所以，电池是真的会随充电放电，而变大变小的。这点蔚来倒是没说错。 不过，以我们日常经验来看，无论是以前手机用的可替换锂电池，还是现在网上能买到的锂电池，充电过程中的膨胀，都很难用肉眼看出来。 2、 第二个问题： 电池真的会膨胀那么厉害，以至于挤压到线束，让蔚来不得不召回吗？ 工程师朋友给的回答是：“是的。最理想的情况当然是同一枚电池内部，一方膨胀的体积和另一方收缩的体积相同，那样整体上就不表现出体积的变化了。但是实际上这很难实现，因为电池中主要考虑的是让正负极的容量而非体积变化相匹配。” 事实上电池充放电体积会变化，业内一直都是知道的，对于工程师们来说，最理想的情况当然是同一枚电池内部，一方膨胀的体积和另一方收缩的体积相同，那样整体上就不表现出体积的变化了。 但是实际上这很难实现。 正负极的材料不同，这也就意味着单位体积内，它们所能容纳的锂离子，以及因充放电膨胀/缩小的体积，是不一样的。 从实用性的角度考虑，显然工程师们的主要目标，是考虑让正负极所能容纳的锂离子一样多，而不是膨胀/缩小体积一致。 比如经常用于作负极的石墨，它是一种层状结构。当锂离子嵌入的时，会进入层与层之间，每一层石墨之间多了锂离子，其体积自然就被撑大了。当达到负极满充状态时，体积大概会有10%的膨胀。 10%是什么概念？也就是原来10立方厘米的，现在理论上讲会变成11立方厘米，这种变大就了不得了。因为在汽车装配工艺上，很多零件之间的配合，基本都是零点几个毫米级。 还好，实际上电池整体的膨胀不会到10%，10%应该仅仅是石墨的体积变化，因为正极的缩小可以抵消一部分，另外方壳和其他结构件也可以缓解一些。 然而石墨电极随着循环次数增加，内部出现裂纹空洞，体积会更加膨胀，可以达到30%。不过蔚来ES8这个车发售还不算太久，应该循环还不到200次，石墨膨胀大概还没这么严重。 ——所以第二个问题的答案也就出来了，电池因充电膨胀的程度，确能让脱离位置的线束收到挤压，导致出现失效的情况。 3、 第三个问题： 我们能不能解决电池膨胀的问题？ 工程师朋友：“不能，电池膨胀问题是一定存在的。我们只能根据正负极应用材料的不同配比来调整膨胀多少的问题。” 如果你觉得研究新材料就行，那你就错了。 因为石墨的缺点就是比容量太低，理论容量仅有372mAh/g。这就是为什么你的手机每天都要充电的原因之一。 另一个原因是你玩得太多了…… 而科学家为我们准备的下一代负极材料——硅 优点是理论容量比石墨高10倍以上。 但是硅的问题就在于，其体积膨胀比石墨也要严重得多。石墨10%的膨胀小意思啦，硅最高可以达到1300%。这就很尴尬了。 所以在实际应用中，往往需要采用大量石墨搭配少量硅，来尽量缓解体积膨胀。 至于下下一代负极材料，锂金属，具有高容量、低电位的优点。但是可以想象，由于锂金属本身就是锂离子构成的，那么就连上面那个橡胶做成的书架都没有了。锂沉积在上面不但会体积膨胀，还会胡乱生长。 然后，就像那我们之前分析特斯拉地库起火中提到的那样，锂枝晶出现了，然后有可能刺穿隔离膜，导致短路，然后就是…..boom！
好了，负极的膨胀说完了，别忘了我们还有个正极呢，正极的问题更要命。 相对于负极这一边，正极材料的容量是永远的痛。 前文我们说过锂离子在电池的正负极之间来回跑，所以电池的容量取决于容量低的那一边。而一般情况下，正极的容量比负极低，所以电动车到底能跑多远其实取决于正极的容量大小。这些年正极的容量一步步高升，这也就是电动车续航可以从150km飞跃到500km的秘诀。 手机用的钴酸锂只能发挥到140mAh/g，再多的话会导致晶格结构不稳定。电动车用的磷酸铁锂优点是材料稳定性好，安全性高，价格便宜；但缺点则是理论容量也仅有170mAh/g，实际发挥的比这更低。想要容量更高，就只好去用三元正极材料了。 ES6比ES8续航高155公里，能一下做到510公里的ES6用的就是正极容量更高的811电池。 虽然811电池很棒，但更尴尬的是，三元材料的体积膨胀程度与容量成正相关，就是说811的体积变化比上一代更加严重。 ——所以，用上811的蔚来ES6，希望不会再出这种问题就好…… 4、 第四个问题： 蔚来到底错了吗？ 工程师朋友：“蔚来没说谎，但它确实错了” 因此，这次蔚来召回事件，确实如官方所说是因为电池的体积变化导致了采样线束的磨损，最终导致发生短路。 但是从严格意义讲，这并不是由于体积变化导致的短路，而是电池包设计中考虑不周到导致。毕竟，电池充电膨胀这件事虽然普通人很少知道，但是在业内却是众所周知的。 因此，这件事从最本质上就是电压采样线束的设计出现问题，导致走向不当，再加上可能低估了电池膨胀带来的影响，从而造成的一系列事故。好在，更换BMS结构后可以避免。 就像我之前说过的，造车是一件“没有上限”的事情。电池设计中也是如此，需要设计师和工程师反复衡量和取舍，才能找到电池在安全、成本、寿命、功率等多方面的平衡。 不能不说： 蔚来很幸运，这几次自燃事件中，均没有出现人员伤亡。 蔚来很幸运，它坚持的换电模式，让这场自燃危机能以最短的时间、最小的成本迅速解决。 蔚来很幸运，它拥有一群极度宽容的车主。在承受极大压力时，仍不忘记鼓励这家车企去进步。 参考文献： 【1】A. Mukhopadhyay, B.W. Sheldon. Deformation and stress in electrodematerials for Li-ion batteries[J]. Progress in Materials Science 63 (2014)58–116 【2】R. Koerver, W Zhang et al. Chemo-mechanical expansion of lithiumelectrode materials-on the route to mechanically optimized all-solid-statebatteries[J]. Energy & Environmental Science 11(2018), 2142–2158 |
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