Безопасность аккумуляторов электромобилей: компромисс между плотностью и быстрой зарядкой.

Серия возгораний электромобилей в октябре, включая модели высокого класса, такие как Xiaomi SU7 Ultra, NIO ET7, Li Auto MEGA, Mercedes-Benz EQE и Porsche Taycan, вновь подчеркнула первостепенную важность безопасности батарей. Данные и свидетельства указывают на то, что гонка за эффективностью — от высокой плотности энергии до сверхбыстрой зарядки — происходит за счет снижения термической стабильности и требует более строгого управления рисками (по данным 36kr.com).

Высокая плотность энергии: преимущества в дальности действия, термостабильное давление.

Переход от фосфата лития-железа (LFP) к трехкомпонентному литию (NCM/NCA) в качестве положительно заряженного материала увеличивает плотность энергии и расширяет диапазон рабочих параметров. Однако по сравнению с LFP, обладающим стабильной кристаллической структурой и затрудненным выделением кислорода, материал с высоким содержанием никеля снижает термическую стабильность.

Опыт рынка вынудил отрасль к адаптации: после инцидентов с батареями NCM 811 (GAC Aion S в 2020 году; отзыв компанией General Motors почти 70 000 автомобилей в 2021 году из-за высокого риска, связанного с никелевыми батареями, и выплата компанией LG Chem компенсации в размере 1 миллиарда долларов), распространенное соотношение NCM изменилось на 5-2-3/6-2-2 для обеспечения баланса между производительностью и безопасностью. Литий-железо-фосфатные батареи (LFP) по-прежнему широко распространены в сегменте до 200 000 юаней из-за их стоимости, в то время как трехкомпонентные батареи используются в автомобилях среднего и высокого класса (например, Tesla использует трехкомпонентные батареи для своих моделей с большим запасом хода, а LFP — для стандартных моделей).

От 18650 до 4680, затем CTP/CTC: высокая эффективность по объему и высокий риск повреждения клеток.

Наряду с улучшением материалов, архитектурные усовершенствования помогают «сжать» больше энергии в том же объеме. В первом поколении Tesla Model S использовалась структура «ячейка-модуль-пакет»: каждый модуль содержал приблизительно 444 ячейки 18650, оснащенные собственной системой управления батареей (BMS) и системой охлаждения; пакет мог содержать 16 модулей, а также огнестойкие материалы. Последующая тенденция заключалась в уменьшении, а затем и исключении модулей (CTP – Cell to Pack) и достижении глубокой интеграции (CTC – Cell to Chassis).

Размеры цилиндрических элементов увеличились с 18650 до 21700 и 4680; что касается кубических батарей, BYD оптимизировала Blade, увеличив коэффициент использования объема примерно на 50%, в результате чего емкость элементов выросла со 135 Ач до более чем 200 Ач. CATL совместно с Qilin довели коэффициент использования объема до 72%, превысив рубеж в 63%, достигнутый в модели 4680; решения CTC были запущены в серийное производство в 2022–2023 годах.

Недостаток: при внутреннем коротком замыкании элементы большой емкости могут быстро рассеивать тепло, образуя горячие точки и вызывая более интенсивную, неконтролируемую тепловую цепную реакцию. Поэтому время от появления дыма до возгорания очень короткое и его трудно контролировать. Помимо самих элементов, фактор риска также представляет собой процесс упаковки аккумуляторного блока: в 2019 году компания NIO отозвала 4803 автомобиля ES8 из-за неправильной высоковольтной проводки внутри блока.

Гонка за быстрой зарядкой 800 В – 10 С: лучшее качество, меньший запас прочности.

Мощность зарядки = напряжение × ток. Первое поколение автомобилей с напряжением 400 В имело скорость зарядки менее 1C. Tesla постепенно увеличила мощность быстрой зарядки с 90 кВт (V1) до 250 кВт (V3), достигнув дополнительного запаса хода примерно в 250 км после 15 минут зарядки при скорости 2–2,5C.

Porsche Taycan стал пионером платформы 800 В с возможностью быстрой зарядки мощностью 270 кВт: повышение напряжения снижает ток и тепловые потери, повышая безопасность при зарядке высокой мощности. Китайские производители быстро догнали 800 В, модернизировав батареи до 4C и выше; на рынке появились зарядные мощности, превышающие 400 кВт. В 2023 году Li Auto MEGA объявила об использовании CATL Qilin 5C с максимальной выходной мощностью, превышающей 500 кВт. BYD заявила о возможности зарядки при 10C, «10 минут на 600 км»; однако отраслевые испытания показывают, что максимальный ток 10C поддерживается лишь очень короткое время.

В свою очередь, требования к изоляции, защите и подавлению дуги резко возрастают; мгновенный ток короткого замыкания увеличивается, а тепловая реакция может быть более интенсивной. При высоких токах быстрое внедрение/разделение ионов лития генерирует тепло и способствует образованию дендритов, сокращая срок службы. Согласно заявлению Ли Бина (NIO) от сентября, стремление к сверхбыстрой зарядке имеет свою цену, включая срок службы батареи. NIO использует медленную зарядку на станциях замены батарей, стремясь к 85% срока службы в течение 15 лет. «Представьте, что после 8 лет эксплуатации автомобиля вам придется потратить 80 000 или 100 000 юаней (11-14 000 долларов США) на замену батареи… это неприемлемо высокая стоимость».

Показатели быстрой зарядки и уровни напряжения (по источникам)

Современные технические решения: охлаждение, теплоэлектрическая сепарация, оптимизация системы управления зданием (BMS).

До того как твердотельные батареи достигнут промышленного масштаба, основным направлением остается оптимизация жидкостных батарей:

• Компания CATL Qilin размещает между ячейками охлаждающие подушки с жидкостями для улучшения теплообмена; в нижней части ячейки расположен предохранительный клапан, отделяющий ее от анода/катода в верхней части для «разделения тепла и электричества».
• Мелкозернистый графитовый слой на отрицательном электроде ускоряет внедрение ионов, обеспечивая быструю зарядку и снижая риск «осаждения лития».
• Длинная, тонкая форма лопастей BYD Blade выгодна для рассеивания тепла; плотное расположение ячеек обеспечивает структурную поддержку, уменьшая потребность в традиционных поперечных балках. Однако сохраняются опасения по поводу изгиба сверхдлинных ячеек при ударе.
• Система управления батареей (BMS) дополнена мониторингом напряжения, тока и температуры в режиме реального времени; она также обеспечивает работу автоматических выключателей и оповещения о неисправностях. Однако мгновенные короткие замыкания могут превышать скорость дискретизации/реакции.

Твердотельные батареи: большой потенциал, большие препятствия.

Исследования в области твердотельных батарей ведутся уже три десятилетия, но до промышленного производства они еще не дошли из-за проблем в области НИОКР, технологических процессов и стоимости перехода от существующей экосистемы жидкостных батарей. Большинство автопроизводителей и производителей батарей пока не готовы к значительным инвестициям.

Вывод: абсолютной безопасности не существует, есть лишь период обучения.

Хорошо сбалансированный аккумуляторный блок представляет собой сочетание материалов, архитектуры, технологических процессов и системы управления батареей (BMS). В погоне за производительностью инвестиции в безопасность должны пропорционально увеличиваться, а информация, предоставляемая пользователям, должна быть честной, избегая сокрытия различий в рисках.

Производители стремятся снизить частоту отказов до уровня частей на миллиард (ppb). Однако для потребителей авария, происходящая «один случай на миллиард», по-прежнему означает 100% вероятность её возникновения. Каждый инцидент служит одновременно предупреждением и данными для оптимизации, подобно тому, как Tesla улучшила свою систему управления батареями (BMS) благодаря ранним случаям самовозгорания; китайские автопроизводители и производители батарей также следуют аналогичному пути обучения и совершенствования.