歐陽明高：改進(jìn)正極材料和電池包可有效抑制熱失控
一直以來，動(dòng)力電池安全對(duì)于現(xiàn)代出行來說都是非常重要的一個(gè)因素。目前，全球動(dòng)力電池業(yè)、電動(dòng)汽車業(yè)、可再生能源汽車業(yè)都處在快速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，因此，動(dòng)力電池的安全問題以及安全風(fēng)險(xiǎn)控制也成為當(dāng)前全球關(guān)注的要點(diǎn)。
在日前舉辦的“第三屆國際電池安全研討會(huì)（2019IBSW）”上，與會(huì)各方就電池?zé)崾Э貦C(jī)-電-熱誘因及防控方法、電池?zé)崾Э匕l(fā)生機(jī)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(jìn)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(huì)議，并從會(huì)上了解到，中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽明高團(tuán)隊(duì)在全球率先對(duì)大容量動(dòng)力電池進(jìn)行了ARC（絕熱熱失控）試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了電池?zé)崾Э氐娜齻€(gè)特征溫度和發(fā)生機(jī)理。在10月8日的研討會(huì)上，歐陽明高院士對(duì)熱失控和熱蔓延的控制研究進(jìn)展作了詳細(xì)介紹。
據(jù)歐陽明高介紹，清華大學(xué)新能源動(dòng)力系統(tǒng)課題組作為國家新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)主要的研發(fā)團(tuán)隊(duì)之一，及中美清潔能源汽車合作中方的牽頭團(tuán)隊(duì)，目前的研究方向主要集中在動(dòng)力電池、燃料電池和混合動(dòng)力三個(gè)方面。
歐陽明高表示，大量實(shí)驗(yàn)研究表明，電池?zé)崾Э鼐哂腥齻€(gè)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(gè)緩慢的升熱會(huì)突然引發(fā)急劇的升熱，且升熱速率可以達(dá)到1000度/秒甚至以上，這才是引發(fā)熱失控的關(guān)鍵”。通過對(duì)T2的探究發(fā)現(xiàn)，正極釋氧、負(fù)極析鋰、隔膜崩潰，這三個(gè)原因是最終引發(fā)熱失控形成T2的主因。
針對(duì)以上三種機(jī)理，歐陽明高介紹了其團(tuán)隊(duì)在機(jī)理方面及熱失控控制方面的研究進(jìn)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(jì)；第三，負(fù)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(gè)機(jī)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(duì)內(nèi)短路問題，歐陽明高表示，目前碰撞類的機(jī)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(huì)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(huì)導(dǎo)致隔膜崩潰和熔化。隔膜的熔化會(huì)導(dǎo)致內(nèi)短路，從升溫開始到隔膜崩潰就會(huì)形成T2，直接引發(fā)熱失控，他也認(rèn)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(rèn)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(xiǎn)，但有些內(nèi)短路在演變之后會(huì)很危險(xiǎn)；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(duì)于演變型內(nèi)短路的演變規(guī)律，第一個(gè)過程主要是電壓下降，而到第二個(gè)過程才會(huì)有溫升，最后形成熱失控。
他同時(shí)表示，沒有內(nèi)短路仍可能會(huì)有熱失控的情況。隨著隔膜性能的不斷增強(qiáng)、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(huì)隨之降低，薄弱環(huán)節(jié)反而會(huì)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(shí)驗(yàn)中即使將電解液去掉，電池依然會(huì)發(fā)生熱失控。正極和負(fù)極結(jié)合的時(shí)候，負(fù)極被氧化，正極釋氧與負(fù)極反應(yīng)劇烈放熱，因此可以將重點(diǎn)放在正極材料和電解質(zhì)方面，進(jìn)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(duì)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(huì)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(huì)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(fù)極電勢(shì)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(biāo)定這條曲線，利用這個(gè)算法可實(shí)現(xiàn)不析鋰，但他強(qiáng)調(diào)這只是一個(gè)標(biāo)定過程，隨著時(shí)間的延長，電池的衰減性能還是會(huì)發(fā)生改變。
對(duì)于熱失控的蔓延及抑制方法，歐陽明高團(tuán)隊(duì)通過溫度場(chǎng)的測(cè)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(dāng)?shù)谝粋€(gè)電池?zé)崾Э刂蟀l(fā)生短路，所有的電都會(huì)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(huì)引發(fā)爆炸、燃燒等事故發(fā)生。
因此，歐陽明高強(qiáng)調(diào)電池包的設(shè)計(jì)尤為重要，按照仿真參數(shù)標(biāo)定的模型可進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)。而電池只隔熱還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，同時(shí)還要配合散熱設(shè)計(jì)，通過隔熱將傳熱擋住，通過散熱將能量帶走。實(shí)驗(yàn)過程中，在同樣的測(cè)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(chǔ)存系統(tǒng)、特別是電動(dòng)汽車當(dāng)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(shí)，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(shí)現(xiàn)300Wh/kg，到2020年電池組能量密度可以達(dá)到200Wh/kg。但是電化學(xué)特別是高電能可能會(huì)存在相應(yīng)的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，也在一定程度上降低了電動(dòng)汽車的市場(chǎng)接受度。相信在全球各國專家、學(xué)者的共同努力下，將會(huì)很快找到電池安全事件的機(jī)理，并找到一系列措施來有效解決電池安全問題。
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