歐陽(yáng)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(lái)，動(dòng)力電池安全對于現代出行來(lái)說(shuō)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(chē)業(yè)、可再生能源汽車(chē)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(wèn)題以及安全風(fēng)險控制也成為當前全球關(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 )各方就電池熱失控機-電-熱誘因及防控方法、電池熱失控發(fā)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(tài)電池安全性問(wèn)題等內容進(jìn)行了深入的探討和交流。
圖為中國科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高發(fā)表主題演講
電池中國網(wǎng)作為戰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(yáng)明高團隊在全球率先對大容量動(dòng)力電池進(jìn)行了ARC（絕熱熱失控）試驗，發(fā)現了電池熱失控的三個(gè)特征溫度和發(fā)生機理。在10月8日的研討會(huì )上，歐陽(yáng)明高院士對熱失控和熱蔓延的控制研究進(jìn)展作了詳細介紹。
據歐陽(yáng)明高介紹，清華大學(xué)新能源動(dòng)力系統課題組作為國家新能源汽車(chē)重點(diǎn)專(zhuān)項主要的研發(fā)團隊之一，及中美清潔能源汽車(chē)合作中方的牽頭團隊，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(yáng)明高表示，大量實(shí)驗研究表明，電池熱失控具有三個(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(yáng)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，且升熱速率可以達到1000度/秒甚至以上，這才是引發(fā)熱失控的關(guān)鍵”。通過(guò)對T2的探究發(fā)現，正極釋氧、負極析鋰、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。
針對以上三種機理，歐陽(yáng)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(jìn)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(fā)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(gè)機理、三種技術(shù)都不能解決熱失控問(wèn)題，最終還可以通過(guò)抑制熱蔓延來(lái)防止安全事故的發(fā)生。
針對內短路問(wèn)題，歐陽(yáng)明高表示，目前碰撞類(lèi)的機械方式，充電過(guò)充、枝晶析鋰、枝晶刺破隔膜，過(guò)熱導致隔膜崩潰等都會(huì )誘發(fā)內短路，其中內短路的程度不一樣、演變的過(guò)程不一樣，但最后都會(huì )導致隔膜崩潰和熔化。隔膜的熔化會(huì )導致內短路，從升溫開(kāi)始到隔膜崩潰就會(huì )形成T2，直接引發(fā)熱失控，他也認為，這是一種較為普遍的原因。
關(guān)于主要的內短路類(lèi)型，歐陽(yáng)明高認為，有些內短路可以立即引發(fā)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(huì )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(gè)過(guò)程主要是電壓下降，而到第二個(gè)過(guò)程才會(huì )有溫升，最后形成熱失控。
他同時(shí)表示，沒(méi)有內短路仍可能會(huì )有熱失控的情況。隨著(zhù)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(huì )隨之降低，薄弱環(huán)節反而會(huì )向正極材料轉移。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(yáng)明高表示，實(shí)驗中即使將電解液去掉，電池依然會(huì )發(fā)生熱失控。正極和負極結合的時(shí)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(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(lái)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)對解決熱失控問(wèn)題都將有更大的提升空間。
在析鋰和充電控制方面，歐陽(yáng)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(méi)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、少導致的結果明顯不一樣，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，引發(fā)大量溫升，將直接誘發(fā)熱失控。
研究發(fā)現，通過(guò)簡(jiǎn)化的P2D模型，可推導出不析鋰的充電曲線(xiàn)，如保持負極電勢始終不低于零，便可得到無(wú)析鋰的最佳充電曲線(xiàn)。并通過(guò)三電極標定這條曲線(xiàn)，利用這個(gè)算法可實(shí)現不析鋰，但他強調這只是一個(gè)標定過(guò)程，隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng)，電池的衰減性能還是會(huì )發(fā)生改變。
對于熱失控的蔓延及抑制方法，歐陽(yáng)明高團隊通過(guò)溫度場(chǎng)的測試發(fā)現，并聯(lián)電池組的蔓延過(guò)程是一節一節的，當第一個(gè)電池熱失控之后發(fā)生短路，所有的電都會(huì )往第一節電池這邊來(lái)，所以造成電池組電壓下降，一旦斷開(kāi)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(kāi)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(yáng)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(jìn)行隔熱設計。而電池只隔熱還遠遠不夠，同時(shí)還要配合散熱設計，通過(guò)隔熱將傳熱擋住，通過(guò)散熱將能量帶走。實(shí)驗過(guò)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(méi)有燃燒，也沒(méi)有熱蔓延。
目前，電池仍是電化學(xué)能源儲存系統、特別是電動(dòng)汽車(chē)當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(guò)了106GWH，其中60%的產(chǎn)量來(lái)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300Wh/kg，到2020年電池組能量密度可以達到200Wh/kg。但是電化學(xué)特別是高電能可能會(huì )存在相應的熱失控風(fēng)險，也在一定程度上降低了電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)接受度。相信在全球各國專(zhuān)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理，并找到一系列措施來(lái)有效解決電池安全問(wèn)題。
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