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      歐陽明高:改進正極材料和電池包可有效抑制熱失控

      一直以來,動力電池安全對于現代出行來說都是非常重要的一個因素。目前,全球動力電池業、電動汽車業、可再生能源汽車業都處在快速發展的關鍵時期,因此,動力電池的安全問題以及安全風險控制也成為當前全球關注的要點。

      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、電池熱失控發生機理與抑制方法、電池燃燒爆炸特性及火災安全、電池系統熱失控蔓延與熱管理、電池析鋰與快充安全、固態電池安全性問題等內容進行了深入的探討和交流。

      電池中國網作為戰略合作媒體受邀出席本次會議,并從會上了解到,中國科學院院士、清華大學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,發現了電池熱失控的三個特征溫度和發生機理。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。

      據歐陽明高介紹,清華大學新能源動力系統課題組作為國家新能源汽車重點專項主要的研發團隊之一,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,這才是引發熱失控的關鍵”。通過對T2的探究發現,正極釋氧、負極析鋰、隔膜崩潰,這三個原因是最終引發熱失控形成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,內短路和控制內短路的方法,就是BMS;第二,正極釋氧引發的熱失控和電池的熱設計;第三,負極析鋰跟電解液的劇烈反應導致的熱失控以及充電控制。如果這三個機理、三種技術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生。

      針對內短路問題,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,過熱導致隔膜崩潰等都會誘發內短路,其中內短路的程度不一樣、演變的過程不一樣,但最后都會導致隔膜崩潰和熔化。隔膜的熔化會導致內短路,從升溫開始到隔膜崩潰就會形成T2,直接引發熱失控,他也認為,這是一種較為普遍的原因。

      關于主要的內短路類型,歐陽明高認為,有些內短路可以立即引發熱失控,但是有些內短路是緩慢演變的;有些內短路可能不危險,但有些內短路在演變之后會很危險;有一些內短路是一直緩變,還有一些內短路從緩變到突變…… 他表示,對于演變型內短路的演變規律,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,正極材料熱穩定性也會隨之降低,薄弱環節反而會向正極材料轉移。這也需要正極材料企業和電池制造企業加以關注。

      歐陽明高表示,實驗中即使將電解液去掉,電池依然會發生熱失控。正極和負極結合的時候,負極被氧化,正極釋氧與負極反應劇烈放熱,因此可以將重點放在正極材料和電解質方面,進而改變熱失控的特性。未來除固態電解質外,電解液的添加劑、高濃度電解質、新型電解質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、少導致的結果明顯不一樣,析鋰多的放熱量大,析出鋰會直接跟電解液發生劇烈反應,引發大量溫升,將直接誘發熱失控。

      研究發現,通過簡化的P2D模型,可推導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不析鋰,但他強調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現,并聯電池組的蔓延過程是一節一節的,當第一個電池熱失控之后發生短路,所有的電都會往第一節電池這邊來,所以造成電池組電壓下降,一旦斷開后電壓又回去了,這就是并聯熱失控的特征。而串聯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,還會引發爆炸、燃燒等事故發生。

      因此,歐陽明高強調電池包的設計尤為重要,按照仿真參數標定的模型可進行隔熱設計。而電池只隔熱還遠遠不夠,同時還要配合散熱設計,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電池包,沒有燃燒,也沒有熱蔓延。

      目前,電池仍是電化學能源儲存系統、特別是電動汽車當中最重要的組成部分。全球電池的產量也已經在2018年超過了106GWH,其中60%的產量來自中國。同時,在高能密度鋰離子電池的發展方面上中國也位居前列。目前三元單體電芯已經實現300Wh/kg,到2020年電池組能量密度可以達到200Wh/kg。但是電化學特別是高電能可能會存在相應的熱失控風險,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。

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