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全球科研一线的动力电池安全“焦点”

作者:中国储能网新闻中心 来源:高工锂电技术与应用 发布时间:2019-10-10 浏览:
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中国储能网讯:汽车电动化的滚滚车轮之下,动力电池安全始终是一把高悬在顶的达摩克里斯之剑。

尤其是在中国,这种压力表现的尤为明显。一方面是逐年增长的电动车保有量,这个数据从2011年的1万辆到2016年的100万辆,仅用了5年时间,而截至今年7月,国内电动汽车的保有量已经达到281万辆。

伴随着保有量上升的,还有电动汽车的安全事故,近两年来,频繁发生的安全事故已经引起了行业的恐慌和担忧,尤其是在通往更高续航的高能量密度电池导入规模化应用的背景下,安全风险的控制变得极为重要,难度也越来越大。

科研是产业发展的重要技术支撑,事实上,围绕与电池安全,包括中国、德国、韩国、美国等多个国家和地区的一线科研团队都在聚焦于此,做针对性的研究和攻关。

2019年10月7——8日,2019国际电池安全大会(IBSW)在北京召开,大会由清华大学电池安全实验室主办,会议主题是“为电动汽车制造更安全的高比能电池”。近来自8个国家的400多位学术、企业及产业界代表出席。

与会各方共同讨论了电池热失控机-电-热诱因及防控方法、电池热失控发生机理与抑制方法、电池燃烧爆炸特性及火灾安全、电池系统热失控蔓延与热管理、电池析锂与快充安全、固态电池安全性问题等六方面的内容。

作为国家新能源汽车重点专项主要的研发团队,由中国科学院院士欧阳明高带领的清华大学新能源动力系统课题组对大容量动力电池进行了ARC试验,并基于此提出了动力电池热失控的诱发原因和防控方法。

对于热失控的机理,欧阳明高指出,高比能量动力电池3种主要热失控机理,第一种是隔膜刺穿导致内短路引发热失控。第二种是高比能量电池正级析释活性氧,析氧密度随着比能量提升在不断下降。第三种是负极析活性锂,就是快充或者过充引起的。

而针对上述三种热失控诱因,欧阳明高团队也针对性的给出了防控方法:第一,内短路和控制内短路的方法,即BMS。第二,正极析氧引发的热失控和电池的热设计。第三,负极析锂跟电解液的剧烈反应导致的热失控以及充电控制。如果这三个机理、三种技术都不能解决热失控问题,还有最后一招,就是抑制热蔓延,通过了解热蔓延的规律,把热蔓延抑制住,可最终防止安全事故的发生。

爱达荷国家实验室Boryann Liaw教授则更关注锂电池安全失效模式分析。在他看来,很多公司知道怎么样制造电池,怎么样降低成本,但是很少有公司知道怎么样来管理电池安全风险。

Boryann Liaw教授希望希望从动力学的基础上,从不同的单电池、电池组,不同的相关事件直接进行一致性的比较分析和研究。他将其称之为定量的电化学分析诊断法。

大部分的研究目前还只是定性的,例如只是知道析锂会造成问题,但不知道析多少锂能产生多么严重的事故,而这往往才是最为关键的。他强调,希望涉及到电池设计、电池安全性问题以及验证等环节,都能够实现定量分析,

来自德国乌尔姆大学的Juergen Garche教授关注的是锂电池老化问题的机理以及老化带来的安全性问题。

Juergen Garche教授介绍,导致电池热失控的触发温度分别为120度、180度、450度。而影响电池热失控的影响因素包括了电池尺寸、SOC、时间、温度、循环。而对于电池老化对于安全的影响来看,主要是由于产生的SEI膜和析锂带来的不稳定性。

安全测试是验证电池安全的途径和门槛。来自美国马里兰大学Michael Pecht教授重点介绍了UL 1642,这个发布于1985年10月的标准,最新一版更新于2015年。

Michael Pecht认为,更新后的测试标准目的是降低安全风险,防止火灾和爆炸的发生,尽管难度越来越大,但会给企业研发高安全电池发挥了显著的指导作用。

美国Celgard公司张正铭教授则将目光投向了电池燃烧时正负极的反应。他以今年4月上海特斯拉起火事件为例,通过高速摄影机回顾了其起火的过程。

张正铭教授提出,特斯拉起火最先冒白烟,发生在一毫秒之间,而通过分析白烟,其判断,主要和正极跟电解液相关,和负极关联性不大,随后的黑烟与负极相关。而通过分析正负极燃烧的反应,可以进一步对于安全的防范进行针对性的措施。

除了电动汽车面临电池安全风险,作为另一个重要应用领域的储能也同样面临这样的压力,这一点,韩国已经深有体会。

从2017年8月到2019年5月,韩国总共发生23起储能电站火灾,其中14起是在充电后发生,6起发生在充放电过程中,3件是在安装和施工途中发生火灾。仅去年11月一个月就发生四起火灾。

韩国科学技术研究院Won II Cho介绍了韩国储能系统(ESS)发生火灾的教训。

Won II Cho介绍,火灾原因主要是来自于:电池保护系统不良、运营环境管理不良、安装疏忽、储能系统集成(EMS,PCS)不良等4种因素。同时调查发现,一些电池存在制造缺陷但在模拟测试中并未造成火灾。

Won II Cho个人认为,韩国储能安全事故的发生,一个不可忽略的因素就包括电池失效,而导致电池失效的原因与储能所处的环境温度、湿度、以及使用过程中的不当有一定关系。

此外,在此次会议上,密歇根大学的Anna G. Stefanopoulou介绍了高置信度老化诊断中的膨胀、析锂保护和热失控检测等相关内容。美国太空总署Eric Darcy介绍了NASA在金属化塑料电流收集器方面的研究进展,电池专家Klaus Brandt介绍了充电电池的锂金属正极安全研究进展。

关键字:动力电池 安全性

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