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【2022世界动力电池大会】孙金华:动力电池安全研究进展

日期:2022-07-22    来源:财经网

国际储能网

2022
07/22
15:03
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关键词: 动力电池安全 负极材料 电池材料

7月22日, 中国科学技术大学教授、欧盟科学院院士、国家“973”计划首席科学家 孙金华表示:

一、动力电池发展态势与火灾形势

应该说,由于动力电池各种优越性能已经在人们的生活中广泛应用,当然,用得最多的可能是新能源汽车和电化学储能。虽然说电池不是我们国家发明的,但是,应该说我们国家实现了弯道超车,目前,我国的电池技术以及电池的产量已经达到了全球总产能的60%,未来的发展目标毫无疑问是高能量密度、高安全、长寿命、低成本。

随着我们国家电池行业的快速发展,电池相关产业也得到了迅速提升,特别是在新能源汽车行业。截止2021年底,新能源汽车保有量接近800万辆,今年预计会有500多万辆的销售。根据国际能源署发布全碳中和路线图认为,大概2030年时新能源汽车年销量达到5500万辆,到2035年,全球大部分国家将禁售燃油汽车,全面进入新能源汽车时代。

随着新能源汽车的大力发展,使得新能源汽车火灾也频繁发生。根据去年应急管理部消防救援局发布的介绍,2021年,全国电动车发生的火灾事故大概有3000余起,根据我们接近800万辆的新能源保有量,它的着火概率大概在万分之三左右,从这方面来讲是要比燃油车略高一些。

事故统计来看,6%是三元电池新能源,5%是磷酸铁锂,还有5%是不明的。35%在充电状态,40%在行驶状态,25%是在静止状态,我们知道,汽车是在静止状态时间最长的,但是它的发生火灾概率最低,充电时间是最短的,但是发火概率是35%。

从一年四季发生火灾形势来看,在高温期阶段的火灾发生概率比冬季和其他季节高出许多。

二、动力电池热失控孕育机理

我们知道,动力电池有正极材料,基本上是一些氧化剂,还有负极材料、电解液,电解液是还原剂。电池本来是氧化剂和可燃剂的化学物,就容易发生事故。

我们团队包括国内外学者首先看电池材料的危险性如何,它的分解如何,电池材料和电池材料之间反应特性如何,对此做了系统的研究。我在这里举一个例子,电池材料分解的情况,还有正极材料与电解液反应情况,还有负极材料与电解液的反应情况,还有电池系统整体材料在一块儿发生反应的情况。

对于电池整体材料反应是非常复杂的,有多个反应存在,有的是放热反应,有的是吸热反应。我们根据单体材料的反应,材料与材料之间的反应,再结合一些数学分析方法,包括去卷极分析方法等,然后对反应方法进行解耦,分成10个反应,我们从中可以看到哪些是诱导反应,哪些是造成热失控的反应。有了这些反应,我们再结合前面的分析,发现这些反应,我们电池正常使用的温度是在40℃或者40℃以下,它为什么会发生这些反应,诱导这些热失控的反应是怎么来的,我们量化不同充放电倍率情况下产生了电化学热,根据化学反应热和电化学热我们建立了热电耦合的热失控预测模型,初始热量是充放电循环等物理热积累,如果不能及时导走的话,会诱发热失控反应。初始反应是负极表面SEI膜分解,焦耳热诱发系列化学反应。

三、动力电池火灾行为规律

我们建立了一系列的多尺度实验平台,首先从单体电池,包括后面的电池膜组的火灾行为进行了一些研究。单体电池从小容量18650电池到大型的38232电池,电池种类有磷酸铁锂、钛酸锂等等。

磷酸铁锂和钛酸锂的火灾行为的研究,包括负荷电状态不同,热释放速率峰值个数的不同,荷电状态越高,热失控状态会增加我们量化不同SOC状态总的产热量以及它的火灾行为,包括喷射火的一些行为等等。

同时,我们对电池热失控的难易程度,还有发生火灾之后的危险程度这两个纬度对电池的危险性进行了分类评价,分成一二三四五类。第一类是很危险的,第五类相对来讲是安全的,也就是说基于热失控的难易程度和热失控以后的危害程度对电池安全性进行分类。

当电池组成电池模组时,我们建立了大尺寸平台,研究电池热失控传播规律。一个电池模组,前面的电池加热,第一个电池开始热失控,后来再传播到第二个、第三个、第四个,第五个,如果不采取任何措施,它的传播速率是逐步递增的,也就是说,两个电池传播热失控的时间是越来越短的。冯旭宁老师的研究成果表明,热失控电池有12%的热量传到下一个电池时,就会引起下一个电池的热失控。

我们也对电池的热失控当中到底是热传导为主还是热辐射或者热对流为主进行了研究,在不同的条件下,热失控传播的主控机制有所改变。

四、动力电池安全防控技术

第一,电池本体的安全。我们怎么样使电池做得更安全,从我们刚才前面对机理的分析,电解液是安全的一个主要因素,所以我们首先能不能做到电解液难燃和不燃。二是由于隔膜的熔点很低,120-130℃左右,我们能不能研发出更高熔点的隔膜,甚至是无机隔膜。三是正极材料,我们怎么样提高正极材料的稳定性,防止与电解液发生反应,这是本体安全。

第二,在电池使用过程当中的过程安全。在电池使用过程当中,如果有事故隐患状态,可能发生热失控,我应该进行热失控预测预警。我们经过一系列电池热失控的实验,提取可能用于电池热失控的参数,包括阈值。结合我们前面热失控的模型,发展三级基于多参数融合电池火灾预测预警技术。第一级是故障预警,第二级热失控是预警,第三级是火灾报警。

第三,消防安全。万一着火之后,要迅速扑灭,不让它形成大灾,我们优化一系列的灭火剂,创新发展了一种新的适合于电池系统的灭火方法,灭活剂要求有不良导体,能够带电灭火,第一次快速喷放,使火迅速扑灭,后面进行多次缓射,目的一是降低电池温度,二是能保证系统里面的灭火剂浓度之后,使它不复燃。

五、安全研究展望

首先,要发展安全型或者本质安全型电力电池,还要进一步从电池材料、全电池系统安全设计以及生产工艺方面提高安全性能。

第二,要研究高性能、高安全的电池,比如固态电池、钠离子电池等。还要对电池极力造成期故障诊断与热失控精准预测技术,现在有了这些技术,但是还难以做到非常靶向的,比如对一个电池包可以讲里面是有一个电池有问题,但是具体到哪一个电池呢,可能还需要进行一些系统的研究。

第三,要发展智能一体化的安全防控技术。要集热管理、故障诊断、热失控预警、灭火协同的智能一体化安全技术,形成高效热管理智能精准预测和快速处置,最后实现高效、清洁灭火。


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