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【电动汽车百人会】中科大教授孙金华:锂电池火灾安全

2019-01-15 22:52:28 盖世汽车综合

1月11-13日,中国电动汽车百人会论坛(2019)在北京钓鱼台国宾馆召开,中国科学技术大学教授孙金华发表了主题演讲,演讲内容如下:

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中国科学技术大学教授 孙金华 

尊敬的吴院士,各位同仁,各位朋友,大家下午好!我来自于火灾科学国家重点实室,做安全的,有时候觉得做安全有点尴尬,因为一个企业或者一个行业起步或者发展的时候,虽然讲要重视安全,往往安全被忽略,因为你要追求安全的话,不产生经济效益,反之要提高安全需要付出大量的成本。当一个产业或者行业发展起来以后,出了安全问题我们安全的人又会出来讲,你们开始不重视我们,所以造成这样那样的问题,所以我们又不受待见,总觉得有点尴尬。我今天的汇报,我不做锂电池,我们主要从安全的角度看看锂电池的火灾危险性怎么样,我们怎么样对它的火灾危险性进行防控。

汇报的提纲有五个部分:

第一部分,背景我想大家都非常清楚了,时间关系把它跳过去。

我们团队2003年就开始对锂电池安全开始研究,我们跟其他做锂电池的团队是不一样的,他们的目标是围绕着提高锂离子电池的能量密度、提高它的循环性能、寿命等等,我们还是想从安全的角度,怎么样科学认识锂离子电池的危险性,怎么样用有效的技术手段去防控它。

我们的思路是什么呢?首先对一个锂离子电池,我要搞清楚它的火灾孕育机制是什么?这里面锂离子电池发生火灾,它的热量从什么地方来?它里面有很多反应,主控的反应机制是什么?这是我们首先要清楚的。第二,这个电池一旦发生火灾以后,危害性多大、火灾行为什么样、规律什么样?

我们搞清楚了它的孕育机制、搞清楚了它的火灾行为规律,我们怎么对它的火灾进行防控,发展相应的科学合理的火灾防控方法。

第二部分,锂离子电池系统反应的热动力学。有的地方可能跟艾老师有点相象,我们主要做的,在锂离子电池当时,不同的荷电状态我们解剖开来,电池与电解液的反应怎么样、发生的热量怎么样,包括正极和电解液的反应、负极和电解液的反应,荷电状态与产热的关系。这是负极,刚刚艾老师讲也有SCI膜,根据不同的材料、不同的成形分解温度是不一样的,而且反应开始也是从SCI膜开始的。

对整个全电池来讲,它的发热是由多个反应叠加而成的,在这样的情况下我怎么样把这个叠加的反应给它解耦解出来。我们用了数学的方法和几何、化学等这样一些测量不同温度下的产物,再用数学的像去卷积风险方法、遗传算法这样的方法,把整个全电池的反应放热系统可以把它分成若干个反应,比如说对整电池我们就可以变成ABCDEF这么六个分反应,从而厘清了各个分布反应过程它对电池热失控的一个贡献,同时我也能做出各个分布过程的动力学参数和热力学参数。

电池材料的化学反应,是要到达一定的温度才能进行化学反应。一定温度之前热量怎么来?我们也做了,在正常得宠放电情况下,包括其他滥用情况下它物理的产热,这个产热比如循环仪加上绝热加速量热仪,来测量在不同的充放电倍率情况下物理的现象产生的热量,这个热量如果不及时导出去,就会使电池体系温度升高,引起电池的化学反应,最后造成电池的失控。这个基础上我们建立了耦合电化学模型和热电耦合电池热失控模型,并且也发展了电池热失控预测软件。

第三部分,了解清楚了电池热失控机制以后,我们看电池发生火灾以后的危险性怎么样,电池和电池包之间火焰是怎么传播的。

我们用了ISO9705标准的大型锂离子电池火灾危险性侧室平台,我们可以测50,200安时大型锂离子电池在不同荷电状态下的火灾危险性,比如我们做了以前钴酸锂的、锰酸锂的,现在磷酸铁锂的,包括三元材料的等等。

通过这个实验我们发觉,对于不同的荷电状态火灾特性是不一样的,比如说荷电状态比较高的,百分之百荷电状态的时候,发现这个火有多次射流火的状态存在,比如开始着火了,限压阀打开以后火喷出来喷的老远,喷出来以后火小了,有一个小小的稳定火,过一段时间以后火又喷的很高,反反复复,有多次射流火的存在,最后把这个电池烧完。同时我们用刚才讲的热释放速率测量平台,测量了锂电池在火灾情况下的放射行为,它放的热量到底多大,不同SOC状态的时候它的热量是多少。

同时我们也针对一个模组、一个PACK里面有好多电池,某一个电池失控的时候对周围电池是怎么传播的,通过一个实验包括测量热释放速率等等手段,表征了火灾热释放模型整个过程。有两个电池的、三个电池的、四个电池的包括九个电池的、十六个电池的都做了,最后建立了电池模组内部传播的一个火焰模型。

第四部分,我们搞清楚了电池的火灾特性以后怎么样提高电池的安全性。有本质安全、有过程安全,还有最后的消防安全。

本质安全,还是通过前面机理的研究,我们发现里面的电解液与负极的反应跟正极的反应放出热量是最多的,是一个热失控主控的反应,我们首先提出了微型灭火器,就是在电解液当中引入了微型灭火器的概念,形成了阻燃电解液,基本上是烧不着的,而且它的电循环性能跟传统的电解液不比那个差,做的电池用针刺的时候都不会着火。

本质安全,我们对于电池的安全来讲可能是作为第一道防线。下面完完全全让电池不着火是不可能的,电池可能还会有一定着火的概率,这个时候我们对电池着火进行预测预警。预测预警我们是怎么做的呢?对于不同类型的、不同大小的、不同荷电状态的锂离子电池,我人为的使它热失控,这个失控包括过充、外短路、内短路、环境加热等等,我来测量电池的比如外表面的温度,电池的断电压、电池的内阻等等这样的参数,再结合电池的结构以及传热模型,我们找出能够来表征这个电池热失控的一个预警参数,这个预警参数有的是多参数的。

这个就是我们做的一些实验,比如这个是18650的,给它均匀升温时候的热失控,右边是42安时的软包电池过充的一个热失控实验,从而找出它发生失控的临界参数。

最后发展一个预警的方法,比如说我们对南方电网的储能电站,钛酸锂电池的,通过我们对它所用电池的热失控参数的实验,提取了判别参数,我们给出了三级报警和控温的策略。同时我们还对电池着了火以后怎么去灭火进行了系统的研究,这里面我们研究了不同的灭火介质,包括水、丙烷、二氧化碳、氮气等等,这些都去进行过尝试,尝试下来,对于我们锂离子电池灭火来讲,不仅仅要灭掉它的明火,而且要对锂离子电池降温。

同时我们还发展了一个新的,基于火探管,能探测到火灾,探测到火灾以后能在火灾点的地方破裂,能够点对点的灭火。

同时我们也对大型的锂电池进行了灭火实验,从大型锂电池灭火实验来看,我们灭火器喷洒能够把这个火灭掉,但是火灭掉以后这个温度又会升高,升高到四五百度,还有复燃的情况,针对这样的情况我们怎么做呢?我们设计了具有二次或者多次灭火功能的消防系统,即使我扑灭了这个火,过一段时间复燃了,我还能继续把它灭火。

我们也取得了一些理论和技术的成果,而且也在很多的产业或者是工业,比如说像南方电网、国网他们的一些储能电站,包括华为手机的预测预警,包括我们的安全电解液在国轩也都成功的应用。

最后我想做一个介绍,今年7月份在合肥我们要召开第一届锂离子电池火灾安全的国际研讨会,我们跟美国NFPA的一个期刊合办,好的文章我们会在那个上面出版,这也是SCI一个核心库的刊物。

我的汇报就到这里。谢谢各位专家。

敬请关注盖世汽车“2019电动汽车百人会”专题实录

提示:本文根据发言整理,未经专家审核,请勿转载。


 

文章标签: 电动汽车 电动汽车百人会 电池

 

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