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防護電池安全 全球科研一線關注哪些焦點?
動力電池| 安全 文章來源自:高工鋰電網
2019-10-09 20:08:04 閱讀:1817
摘要科研是產業發展的重要技術支撐,事實上,圍繞與電池安全,包括中國、德國、韓國、美國等多個國家和地區的一線科研團隊都在聚焦于動力電池的安全,做針對性的研究和攻關。

汽車電動化的滾滾車輪之下,動力電池安全始終是一把高懸在頂的達摩克里斯之劍。

尤其是在中國,這種壓力表現的尤為明顯。一方面是逐年增長的電動車保有量,這個數據從2011年的1萬輛到2016年的100萬輛,僅用了5年時間,而截至今年7月,國內電動汽車的保有量已經達到281萬輛。

伴隨著保有量上升的,還有電動汽車的安全事故,近兩年來,頻繁發生的安全事故已經引起了行業的恐慌和擔憂,尤其是在通往更高續航的高能量密度電池導入規模化應用的背景下,安全風險的控制變得極為重要,難度也越來越大。

科研是產業發展的重要技術支撐,事實上,圍繞與電池安全,包括中國、德國、韓國、美國等多個國家和地區的一線科研團隊都在聚焦于此,做針對性的研究和攻關。

2019年10月7~8日,2019國際電池安全大會(IBSW)在北京召開,大會由清華大學電池安全實驗室主辦,會議主題是“為電動汽車制造更安全的高比能電池”。近來自8個國家的400多位學術、企業及產業界代表出席。

與會各方共同討論了電池熱失控機-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六方面的內容。

作為國家新能源汽車重點專項主要的研發團隊,由中國科學院院士歐陽明高帶領的清華大學新能源動力系統課題組對大容量動力電池進行了ARC試驗,并基于此提出了動力電池熱失控的誘發原因和防控方法。

對于熱失控的機理,歐陽明高指出,高比能量動力電池3種主要熱失控機理,第一種是隔膜刺穿導致內短路引發熱失控。第二種是高比能量電池正級析釋活性氧,析氧密度隨著比能量提升在不斷下降。第三種是負極析活性鋰,就是快充或者過充引起的。

而針對上述三種熱失控誘因,歐陽明高團隊也針對性的給出了防控方法:第一,內短路和控制內短路的方法,即BMS。第二,正極析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,還有最后一招,就是抑制熱蔓延,通過了解熱蔓延的規律,把熱蔓延抑制住,可最終防止安全事故的發生。

愛達荷國家實驗室Boryann Liaw教授則更關注鋰電池安全失效模式分析。在他看來,很多公司知道怎么樣制造電池,怎么樣降低成本,但是很少有公司知道怎么樣來管理電池安全風險。

Boryann Liaw教授希望希望從動力學的基礎上,從不同的單電池、電池組,不同的相關事件直接進行一致性的比較分析和研究。他將其稱之為定量的電化學分析診斷法。

大部分的研究目前還只是定性的,例如只是知道析鋰會造成問題,但不知道析多少鋰能產生多么嚴重的事故,而這往往才是最為關鍵的。他強調,希望涉及到電池設計、電池安全性問題以及驗證等環節,都能夠實現定量分析,

來自德國烏爾姆大學的Juergen Garche教授關注的是鋰電池老化問題的機理以及老化帶來的安全性問題。

Juergen Garche教授介紹,導致電池熱失控的觸發溫度分別為120度、180度、450度。而影響電池熱失控的影響因素包括了電池尺寸、SOC、時間、溫度、循環。而對于電池老化對于安全的影響來看,主要是由于產生的SEI膜和析鋰帶來的不穩定性。

安全測試是驗證電池安全的途徑和門檻。來自美國馬里蘭大學Michael Pecht教授重點介紹了UL 1642,這個發布于1985年10月的標準,最新一版更新于2015年。

Michael Pecht認為,更新后的測試標準目的是降低安全風險,防止火災和爆炸的發生,盡管難度越來越大,但會給企業研發高安全電池發揮了顯著的指導作用。

美國Celgard公司張正銘教授則將目光投向了電池燃燒時正負極的反應。他以今年4月上海特斯拉起火事件為例,通過高速攝影機回顧了其起火的過程。

張正銘教授提出,特斯拉起火最先冒白煙,發生在一毫秒之間,而通過分析白煙,其判斷,主要和正極跟電解液相關,和負極關聯性不大,隨后的黑煙與負極相關。而通過分析正負極燃燒的反應,可以進一步對于安全的防范進行針對性的措施。

除了電動汽車面臨電池安全風險,作為另一個重要應用領域的儲能也同樣面臨這樣的壓力,這一點,韓國已經深有體會。

從2017年8月到2019年5月,韓國總共發生23起儲能電站火災,其中14起是在充電后發生,6起發生在充放電過程中,3件是在安裝和施工途中發生火災。僅去年11月一個月就發生四起火災。

韓國科學技術研究院Won II Cho介紹了韓國儲能系統(ESS)發生火災的教訓。

Won II Cho介紹,火災原因主要是來自于:電池保護系統不良、運營環境管理不良、安裝疏忽、儲能系統集成(EMS,PCS)不良等4種因素。同時調查發現,一些電池存在制造缺陷但在模擬測試中并未造成火災。

Won II Cho個人認為,韓國儲能安全事故的發生,一個不可忽略的因素就包括電池失效,而導致電池失效的原因與儲能所處的環境溫度、濕度、以及使用過程中的不當有一定關系。

此外,在此次會議上,密歇根大學的Anna G. Stefanopoulou介紹了高置信度老化診斷中的膨脹、析鋰保護和熱失控檢測等相關內容。美國太空總署Eric Darcy介紹了NASA在金屬化塑料電流收集器方面的研究進展,電池專家Klaus Brandt介紹了充電電池的鋰金屬正極安全研究進展。

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