在日前舉辦的“第三屆國際電池安全研討會（2019IBSW）”上，與會各方就電池熱失控機-電-熱誘因及防控方法、電池熱失控發(fā)生機理與抑制方法、電池燃燒爆炸特性及火災(zāi)安全、電池系統(tǒng)熱失控蔓延與熱管理、電池析鋰與快充安全、固態(tài)電池安全性問題等內(nèi)容進行了深入的探討和交流。
圖為中國科學(xué)院院士歐陽明高發(fā)表主題演講
電池中國網(wǎng)作為戰(zhàn)略合作媒體受邀出席本次會議，并從會上了解到，中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽明高團隊在全球率先對大容量動力電池進行了ARC（絕熱熱失控）試驗，發(fā)現(xiàn)了電池熱失控的三個特征溫度和發(fā)生機理。在10月8日的研討會上，歐陽明高院士對熱失控和熱蔓延的控制研究進展作了詳細介紹。
據(jù)歐陽明高介紹，清華大學(xué)新能源動力系統(tǒng)課題組作為國家新能源汽車重點專項主要的研發(fā)團隊之一，及中美清潔能源汽車合作中方的牽頭團隊，目前的研究方向主要集中在動力電池、燃料電池和混合動力三個方面。
歐陽明高表示，大量實驗研究表明，電池熱失控具有三個特征溫度，分別為：自生熱起始溫度T1、熱失控引發(fā)溫度T2、熱失控最高溫度T3。歐陽明高指出，“為什么由一個緩慢的升熱會突然引發(fā)急劇的升熱，且升熱速率可以達到1000度/秒甚至以上，這才是引發(fā)熱失控的關(guān)鍵”。通過對T2的探究發(fā)現(xiàn)，正極釋氧、負極析鋰、隔膜崩潰，這三個原因是最終引發(fā)熱失控形成T2的主因。
針對以上三種機理，歐陽明高介紹了其團隊在機理方面及熱失控控制方面的研究進展：第一，內(nèi)短路和控制內(nèi)短路的方法，就是BMS；第二，正極釋氧引發(fā)的熱失控和電池的熱設(shè)計；第三，負極析鋰跟電解液的劇烈反應(yīng)導(dǎo)致的熱失控以及充電控制。如果這三個機理、三種技術(shù)都不能解決熱失控問題，最終還可以通過抑制熱蔓延來防止安全事故的發(fā)生。
針對內(nèi)短路問題，歐陽明高表示，目前碰撞類的機械方式，充電過充、枝晶析鋰、枝晶刺破隔膜，過熱導(dǎo)致隔膜崩潰等都會誘發(fā)內(nèi)短路，其中內(nèi)短路的程度不一樣、演變的過程不一樣，但最后都會導(dǎo)致隔膜崩潰和熔化。隔膜的熔化會導(dǎo)致內(nèi)短路，從升溫開始到隔膜崩潰就會形成T2，直接引發(fā)熱失控，他也認為，這是一種較為普遍的原因。
關(guān)于主要的內(nèi)短路類型，歐陽明高認為，有些內(nèi)短路可以立即引發(fā)熱失控，但是有些內(nèi)短路是緩慢演變的；有些內(nèi)短路可能不危險，但有些內(nèi)短路在演變之后會很危險；有一些內(nèi)短路是一直緩變，還有一些內(nèi)短路從緩變到突變…… 他表示，對于演變型內(nèi)短路的演變規(guī)律，第一個過程主要是電壓下降，而到第二個過程才會有溫升，最后形成熱失控。
他同時表示，沒有內(nèi)短路仍可能會有熱失控的情況。隨著隔膜性能的不斷增強、正極三元材料鎳含量不斷提高、釋氧溫度不斷下降，正極材料熱穩(wěn)定性也會隨之降低，薄弱環(huán)節(jié)反而會向正極材料轉(zhuǎn)移。這也需要正極材料企業(yè)和電池制造企業(yè)加以關(guān)注。
歐陽明高表示，實驗中即使將電解液去掉，電池依然會發(fā)生熱失控。正極和負極結(jié)合的時候，負極被氧化，正極釋氧與負極反應(yīng)劇烈放熱，因此可以將重點放在正極材料和電解質(zhì)方面，進而改變熱失控的特性。未來除固態(tài)電解質(zhì)外，電解液的添加劑、高濃度電解質(zhì)、新型電解質(zhì)對解決熱失控問題都將有更大的提升空間。
在析鋰和充電控制方面，歐陽明高表示，全生命周期安全性中最主要的影響因素就是析鋰，如果沒有析鋰衰減，電池安全性并不會變差。同樣是析鋰，析鋰的多、少導(dǎo)致的結(jié)果明顯不一樣，析鋰多的放熱量大，析出鋰會直接跟電解液發(fā)生劇烈反應(yīng)，引發(fā)大量溫升，將直接誘發(fā)熱失控。
研究發(fā)現(xiàn)，通過簡化的P2D模型，可推導(dǎo)出不析鋰的充電曲線，如保持負極電勢始終不低于零，便可得到無析鋰的最佳充電曲線。并通過三電極標定這條曲線，利用這個算法可實現(xiàn)不析鋰，但他強調(diào)這只是一個標定過程，隨著時間的延長，電池的衰減性能還是會發(fā)生改變。
對于熱失控的蔓延及抑制方法，歐陽明高團隊通過溫度場的測試發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)電池組的蔓延過程是一節(jié)一節(jié)的，當?shù)谝粋€電池熱失控之后發(fā)生短路，所有的電都會往第一節(jié)電池這邊來，所以造成電池組電壓下降，一旦斷開后電壓又回去了，這就是并聯(lián)熱失控的特征。而串聯(lián)電池組熱失控剛開始是有序的蔓延，最后是劇烈蔓延，不僅僅是傳熱，還會引發(fā)爆炸、燃燒等事故發(fā)生。
因此，歐陽明高強調(diào)電池包的設(shè)計尤為重要，按照仿真參數(shù)標定的模型可進行隔熱設(shè)計。而電池只隔熱還遠遠不夠，同時還要配合散熱設(shè)計，通過隔熱將傳熱擋住，通過散熱將能量帶走。實驗過程中，在同樣的測試條件下，帶防火墻的電池包相較于傳統(tǒng)電池包，沒有燃燒，也沒有熱蔓延。
目前，電池仍是電化學(xué)能源儲存系統(tǒng)、特別是電動汽車當中最重要的組成部分。全球電池的產(chǎn)量也已經(jīng)在2018年超過了106GWH，其中60%的產(chǎn)量來自中國。同時，在高能密度鋰離子電池的發(fā)展方面上中國也位居前列。目前三元單體電芯已經(jīng)實現(xiàn)300Wh/kg，到2020年電池組能量密度可以達到200Wh/kg。但是電化學(xué)特別是高電能可能會存在相應(yīng)的熱失控風險，也在一定程度上降低了電動汽車的市場接受度。相信在全球各國專家、學(xué)者的共同努力下，將會很快找到電池安全事件的機理，并找到一系列措施來有效解決電池安全問題。
