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高比能量电池安全难题待解 欧阳明高提出三大建议

导读: 今年以来,已经发生了多起电动汽车起火事故,热失控成为影响动力电池安全的阿喀琉斯之踵。动力电池的比能量越来越高,如何有效提升动力电池的安全性?

在刚刚结束不久的“2018第二届全球未来出行大会”上,中国科学院院士、中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高发表了对动力电池安全性方面的看法。他对引起电池安全的热失控问题进行了深入解读,并提出了解决问题的方法和政策方面的建议。以下内容为摘选的演讲实录(内容较长有少许删减)。

根据中国新能源汽车动力电池比能量发展的趋势,我们很快就会向300瓦时/公斤的高比能量电池迈进,很快这些产品就会进入市场,就是所谓的高镍三元811电池很快就会进入市场,这些高比能量的电池会比原先的这些相对低的比能量的电池所面临的安全技术的要求会更高。在这方面,我们清华大学专门建了电池安全实验室开展相关的基础研究和技术开发,在这里给大家简单的介绍一下研发结果,供大家参考。

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目前清华大学电池安全实验室跟国内外企业和研究机构开展了广泛的合作,包括宝马、奔驰、日产等大公司。

热失控成为是动力电池安全最关键的环节

研究重点是在热失控的三个方面,一是热失控的诱因,包括热、电、机械的原因。二是热失控发生的机理究竟是什么,从而在材料设计层面加以防护。三是热蔓延,一旦单体电池防止不了热失控,就得有二次防护手段,就是在系统层面要切断热失控的蔓延,只要切断蔓延就可以防止事故。我们对高比能量电池的热失控控制,不仅靠材料本身,还要从系统层面来进行。

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首先是关于热失控的发生机理与抑制。我们从两个实验手段上开展,一个是从事材料热稳定性研究的差示扫描量热仪,一个是电池单体热失控测量的加速量热仪。

高比能量电池热失控的几个特征温度。一般来说,当电池温度升高到一定程度,电池就会自产热,我们把这个温度叫T1,产热发生到一定程度无法抑制,热失控触发,叫T2,最后温度上升到最高点我们叫T3。热失控机理不清楚的主要是发生在T2到T3阶段。一般认为是内短路造成的,对常规电池的确是这样,但是我们在研究中发现对高比能量不完全是这样。我们发现没有内短路,照样有热失控。这是因为高比能量电池的耐高温新型隔膜到200度以上没有变化,电解液基本完全蒸发了,但在230-250度时,正极材料相变放出的氧与负极反应产生了放热高峰。

另外我们看一下各种不同镍含量的三元锂离子电池的差异。811电池跟现在常用的622或者532相比, 811的放热峰明显的都比其它高很多,表明811的热稳定性较差。经过分析我们得到的初步结论是,高镍正极对全电池安全有较大的影响,硅炭负极对安全在初期影响不大,但是在循环衰减后影响比较大。

应对这种热稳定差也有一系列的改进途径,比如说材料的包覆等,我们还发现了一个新的方法,就是用单晶颗粒来替代多晶的正极材料,电池的热稳定性有非常好的改善,相应的安全性也有很好的改善。

热蔓延是电池起火的帮凶

第二就是热蔓延,真正的事故是热蔓延导致的,就是一个电池单体热失控之后,所有电池包全部蔓延起来,着火事故就发生了。

根据我们对热失控蔓延过程的测试和仿真的传热分析,设计了一种隔热的方法,就是在主导传热的路径上加隔热材料,实验发现确实达到了隔断热失控蔓延的效果。这种防火墙技术已经在中国倡导的国际电动汽车热失控蔓延的法规中得到采纳。


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