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欧阳明高团队破解锂离子动力电池燃烧机理

作者:
沈承鹏
2019/06/30
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进入夏季以来,接连发生了多起电动汽车火灾事故,引起了社会各界的广泛关注和忧虑,新能源汽车为什么火灾频发?是什么原因引起的火灾?能不能控制?能不能预防?

6月23日,在中国电动汽车百人会青海论坛上,清华大学教授、中科院院士欧阳明高发表了题为《动力电池安全防控的研究进展》的报告,介绍了他的团队在锂离子动力电池安全性研究方面的进展,人们欣喜的看到,欧阳明高团队成功破解了锂离子动力电池燃烧的机理,为解决电动汽车安全问题带来了希望。

据欧阳明高介绍,清华大学电池安全实验室经过多层面研究,发现引起锂离子动力电池燃烧的主要原因是电池热失控,发现了不同于传统热失控机理的锂离子动力电池的三种新的热失控机理,包括:负极析活性锂、电池内短路、正极释活性氧。通过对2018年新能源汽车火灾事故的统计分析发现,电动汽车在充电时发生事故占比最多,达到29%,行驶和静置停放过程中发生的自燃各占14%,涉水引发的事故占10%,另有33%原因不明。而这三种热失控机理可以解释上述超过99%的电池热失控事故原因。

新能源汽车的致命隐患是安全

6月17日,工信部发布了《关于开展新能源汽车安全隐患排查工作的通知》,要求各新能源汽车生产企业对本公司生产的新能源汽车开展安全隐患排查工作。这是继2016年初,工信部暂停三元锂电池客车列入新能源汽车推广应用车型目录、2016年11月《关于进一步做好新能源汽车推广应用安全监管工作的通知》、

2018年8月《关于开展新能源客车安全隐患专项排查工作的通知》、2018年09月25日《关于开展新能源乘用车、载货汽车安全隐患 专项排查工作的通知》以来,工信部下发的第四份关于新能源汽车安全隐患排查的通知。警告对象从配装三元锂电池的大客车扩展到小客车,表明三元锂电池的安全技术一直未能突破,新能源汽车的安全问题趋于严重,到了政府不肯容忍、社会不能漠视的程度。这几份《通知》有的侧重于要求提高车辆的密封防水性能、强化阻燃材料、提高防火性能、延长起火后乘客的撤离时间。有的详细列出了要求企业检查的动力电池的外观、软件、气密性等内容。但对于锂离子动力电池为什么会发生火灾、什么原因引起的火灾却没有说明。实际上,无论是作为主管的政府部门,还是作为安全第一责任人的新能源汽车生产企业、专业动力电池生产企业,一直都在寻找这个问题的科学答案。

电池热失控是新能源汽车安全事故的罪魁

据国家市场监管总局掌握的舆情信息,2018年至今一年半时间内,全国发生了80余起电动汽车火灾事故,平均7天一起,实在有点触目惊心。经过对这些事故的分析研究,欧阳明高团队发现,电动汽车在充电时发生火灾事故的比例最高,而不当快速充电引发电池析锂,导致电池寿命快速衰减和热稳定性变差又是主因。通过电池析锂测试、仿真与安全快充技术试验,该团队发现了锂离子动力电池快充后热失控的机理——负极析活性锂,揭示了电池充电过程负极表面锂析出与重新嵌入机理,并据此设计出锂析出与重新嵌入机制的动力电池析锂仿真模型,模拟出充电析锂后电池静置过程中的电压平台,开发出动力电池充电析锂无损检测方法,推导出不析锂最优充电电流,实现了快速标定电池无析锂安全快充MAP。

内短路是电池热失控的共性环节

欧阳明高课题组通过实验发现,机械滥用对电池形成的挤压、穿刺,电滥用对电池形成的过冲、过放,热滥用形成的电池过热,都可以导致电池隔膜的损坏,使电池发生内短路,导致电池热失控,冒烟、起火、爆炸。通过充电析锂发现,不断生长的锂枝晶刺穿隔膜造成的内短路是威胁电池使用安全的大敌。2013年,波音787飞机电池系统系列起火事故、2016年三星Galaxy Note7系列电池起火事故,都是电池内短路造成的。

欧阳明高团队将特制的具有尖刺结构的记忆合金内短路触发元件植入电池内部,升温使尖刺结构翘起并刺穿隔膜,成功模拟出内短路过程。内短路模拟测试方法入选中国电力企业联合会标准T/CEC 169-2018——《电力储能用锂离子电池内短路测试方法》。基于这一方法开展的自引发内短路问题研究,取得了对由内短路引发的热失控实现提前预警和检测的成果。

正极释放活性氧导致电池热失控

欧阳明高团队还进行了锂离子动力电池热失控发生机理——正极释放活性氧的研究,发现没有内短路的电池也会发生热失控,建立了基于组分材料反应动力学特性的单体动力电池热失控建模仿真模型,在统计多种电池材料体系的高温热化学机理的基础上提出了电池热失控特性系列改进方法。

在对电池系统热蔓延测试、仿真与抑制技术的研究中,欧阳明高团队基于模型的动力电池系统热失控蔓延抑制技术——隔热设计和散热设计,对于热稳定性最差的电池体系,发明了隔热与快速冷却相结合的“防火墙”技术。该成果技术支持电动汽车安全全球技术法规工作组EVS-GTR-TF5:模型分析结果为制定国际热失控扩展法规提供了可行方案,完成了方案的可行性验证工作,为法规第一阶段写入中国方案做出了贡献;国家《电动客车安全技术条件》《电动汽车用锂离子动力电池包和系统:试验方法与安全要求(草案)》继续沿用EVS-GTR中的方案。

清华大学锂离子动力电池安全防控技术研究成果已经应用于国内外主流新能源汽车生产企业和电池生产企业,向戴姆勒-奔驰公司、韩国三星SDI公司、SKI公司许可知识产权,向国内企业转让了知识产权。研究结果支撑了国家《电动汽车用锂离子动力电池包和系统:试验方法与安全要求》的制定并参与国际标准制定。

目前,清华大学的锂离子动力电池安全防控技术研究还在不间断地进行中,欧阳明高希望通过三五年的持续努力,实现这一关键技术的全面突破。

 

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