映入2019年4月以來，電動車子燃燒事故頻頻產(chǎn)生。特斯拉在上海、華夏香港、舊金山、比利時等地連接產(chǎn)生機動車自己燃燒事故，而蔚來ES8亦在短短兩個月內(nèi)顯露了三次自己燃燒車禍。另外，依據(jù)國度市場監(jiān)督總局的數(shù)據(jù)顯現(xiàn)， 2018年，我們國家至少產(chǎn)生了40起涉及電動車子的火災(zāi)車禍。為這，電動車子尤其是能源電池平安難題激發(fā)產(chǎn)業(yè)高度關(guān)心，而能源電池平安本質(zhì)則是電池?zé)崾Э亍?/p>

那末導(dǎo)致能源電池?zé)崾Э氐淖钪匾�的原因有哪些？而關(guān)于電池?zé)崾Э馗艣r下？針對此，6月23日，在由青海省國民政府、產(chǎn)業(yè)和消息化部、科學(xué)技藝部、華夏電動車子百人會主持的“華夏（青海）鋰資產(chǎn)與能源電池世界高峰論壇”上，華夏科學(xué)院院士、華夏電動車子百人會執(zhí)行副理事長歐陽明高發(fā)展了具體闡述。

華夏科學(xué)院院士、華夏電動車子百人會執(zhí)行副理事長 歐陽明高

據(jù)理解，為理解決能源電池平安難題，歐陽明高所在單位清華大學(xué)較早構(gòu)建了電池平安實驗室，展開能源電池平安防控探討。實驗室在不停測試進程中，提煉出了電池?zé)崾Э氐娜齻�特征溫度，自生熱的起始溫度T1和熱失控的觸發(fā)溫度T2，以及熱失控的最高溫度T3。并鑒于這點測試周全揭示了三種熱失控觸發(fā)機理：第一個是負極析活性鋰，第二種是內(nèi)短路，第三種正極釋活性氧。

鑒于這三種熱失控機理，進行了能源電池?zé)崾Э刂鲃悠桨卜揽丶妓�，包括電池充電析鋰與快充操控、電池內(nèi)短路與電池治理、單體電池?zé)崾Э嘏c熱設(shè)置，電池體系熱蔓延與熱治理。之下是歐陽明高教授關(guān)于這四部分的具體講解。

電池充電析鋰與快充操控

近期產(chǎn)生的充電車禍的剖析表達，最重要的是不當(dāng)迅速充電或過充激發(fā)電池析鋰，導(dǎo)致熱失控溫度大幅度下調(diào)，從219℃下調(diào)到107℃，并與電解液激烈反映，導(dǎo)致電池在107℃產(chǎn)生熱失控。

經(jīng)過實驗表征發(fā)覺，在快充的時刻能夠顯著瞧出析鋰的發(fā)生，并經(jīng)過對析鋰機理發(fā)展探討，發(fā)覺了析鋰的完整進程，包括電池充電進程負極外表鋰析出和從新鑲嵌，析出進程便是負極零電位以后造成，在電池停止充電以后，電位會規(guī)復(fù)到零電位以上，這種時刻會從新鑲嵌，接下來全部的可逆鋰均十足溶解，負極沒再產(chǎn)生反映。

咱們對這種機理構(gòu)建了仿真模子，在常規(guī)電池準二維(P2D)模子根基上加入析鋰反映的進程，并在此根基上，發(fā)展了仿真和認證。從仿真結(jié)果看，可行成功模擬充電析鋰后電池靜置進程中的電壓平臺，這種平臺是從新鑲嵌的進程。對上述電壓平臺發(fā)展微分料理，可行定量獲得全個析鋰全進程的時間。以這種時間為一種變量，咱們可行構(gòu)建經(jīng)歷公式計算出析鋰量。

在此根基上，咱們發(fā)展了沒有析鋰平安快充探討。

起首，構(gòu)建了準二維電化學(xué)機理模子，用于預(yù)測負極電位，并以此為根基獲得最優(yōu)充電曲線的剖析表明式，繼續(xù)以充電負極定位為一種基準，加一種冗余量，可行推導(dǎo)出電池最優(yōu)的充電電流。以此為根基，咱們可行發(fā)展最優(yōu)充電的操控，以鑒于模子的負極電位觀測器為根基，可行把負極電位觀測出去的電位，跟參考電位發(fā)展相比，經(jīng)過調(diào)度充電電流使這種電位差趨于零可行實現(xiàn)沒有析鋰的快充。

上述模子會隨著電池的衰減，造成誤差，模擬結(jié)果可能未必明確。是以，咱們在此根基上開發(fā)新款的參比電極，干脆反饋負極電位，慣例參比電極生命極短，咱們開發(fā)了新款的參比電極，生命超越5個月，而且還在接著改良，期望參比電極的運用生命盡可能延伸，真實做到能夠作為傳感器運用。在無實現(xiàn)裝車傳感器利用此前，咱們利用于充電算法的標定，可行節(jié)省大批時間，由于慣例的充電算法標定每一次都要拆解觀測，利用參比電極以后可行不用拆解，高效能改良充電算法。日前國家內(nèi)部企業(yè)的充電算法都過于容易，咱們跟日產(chǎn)發(fā)展過交流，其充電算法是鑒于大批數(shù)據(jù)MAP圖發(fā)展的，是以咱們必需也要做好MAP圖，使充電算法能夠考量各式各類的作用要素，這種進程的事業(yè)量和實驗量是十分大的。為理解決這種難題，利用長生命的參比電極，以此為根基標定出盡量挨近于最優(yōu)充電電流的充電曲線。

電池內(nèi)短路和電池治理

內(nèi)短路是電池?zé)崾Э氐墓残圆襟E，各式各類的原因都可能發(fā)生不同類別的內(nèi)短路，包括機械形狀改變、擠壓、撕裂，隔膜破裂、過充過放、極其過熱。更危險的一個內(nèi)短路是自激發(fā)內(nèi)短路，如波音787的車禍，是在生產(chǎn)進程中導(dǎo)入的雜質(zhì)和顆粒，在長久運轉(zhuǎn)以后累積演變產(chǎn)生的。

枝晶生長是可行模擬的，而內(nèi)短路是較難發(fā)展實驗再現(xiàn)的景象，須要進行各式各類的替代實驗方法。咱們發(fā)明了一個新的替代實驗方法發(fā)展內(nèi)短路的模擬測試，最重要的是將特制的具備尖刺構(gòu)造的回想合金內(nèi)短路觸發(fā)元件植入電池里面，升溫使尖刺構(gòu)造翹起并刺穿隔膜，模擬內(nèi)短路進程。經(jīng)過該實驗發(fā)覺最重要的的內(nèi)短路類別包括，鋁-銅、正極-銅、鋁-負極、正極-負極等四種電路。此中有的是立即產(chǎn)生熱失控，如鋁和負極的接近；而正極和負極接近通常不會產(chǎn)生熱失控；鋁和銅接近的危險水平也相比高，可是未必馬上激發(fā)內(nèi)短路。

咱們對熱失控內(nèi)短路構(gòu)建仿真模子，此中很要緊的是內(nèi)短路位子的熔斷，這類熔斷可能導(dǎo)致全個內(nèi)短路終止，也有可能導(dǎo)致更激烈的內(nèi)短路產(chǎn)生。為這，咱們對作用這類熔斷的各式參數(shù)發(fā)展了剖析。咱們對全個內(nèi)短路產(chǎn)生演變的進程發(fā)展了概括剖析和總結(jié)，在此根基上，提議為防止產(chǎn)生熱失控，必需要在早期階段將內(nèi)短路檢驗出去。

推薦此中的一個方法，是對串聯(lián)電池組的內(nèi)短路檢驗方法，最重要的鑒于絕對性差異發(fā)展診斷。詳細來看，可行構(gòu)建有內(nèi)短路和無內(nèi)短路的等效模子，鑒于這種等效模子和平均差異模子發(fā)展在線參數(shù)預(yù)計，有內(nèi)短路以后電位和等效阻抗產(chǎn)生了浮動，咱們對這兩個參數(shù)發(fā)展了參數(shù)辨識，最終可行找出究竟是哪一種單體顯露了難題，經(jīng)過認證試驗結(jié)果，很顯著的能夠發(fā)覺某一種電池有內(nèi)短路。但算法不過一種根基，在此根基上，咱們還要聯(lián)合大批工程實驗數(shù)據(jù)，終歸開發(fā)出了實用化的檢驗算法。自然僅僅內(nèi)短路檢驗是不夠的，須要對過充、過放、SOP等發(fā)展概括治理，才有可能實現(xiàn)內(nèi)短路以及熱失控的提早提前警告，這便是新一代的電池治理體系，所以平安為焦點的全角度狀況預(yù)計和故障檢驗。

單體電池?zé)崾Э嘏c熱設(shè)置

隔膜資料產(chǎn)生了好多浮動，從PE、PP、PE+Ceramic到PET資料，隔膜的耐熱溫度曾經(jīng)很高了，可行達到300℃；與此同一時間，正極資料從早期的LFP，到NCM111、NCM523、NCM622，再到此刻的NCM811，正極資料的釋氧溫度在一步步下降。

隨著這兩種技藝的浮動，熱失控的機理也在產(chǎn)生浮動。早期電池許多源于隔膜崩潰激發(fā)大范圍內(nèi)短路激發(fā)熱失控，但日前運用的耐高溫隔膜配811正極能源電池，其熱失控的機理曾經(jīng)產(chǎn)生浮動，正極資料釋氧變成了激發(fā)熱失控的主因。實驗結(jié)果表達，在無內(nèi)短路的概況下，把隔膜十足去掉，電解液抽干依舊會產(chǎn)生熱失控。當(dāng)把正負極粉末混合發(fā)展測試，會顯露激烈的放熱峰值。經(jīng)過進一步的剖析發(fā)覺，充電態(tài)正極資料在250℃左右最初顯露相變，并解放活性氧，發(fā)生的氧氣與負極產(chǎn)生反映，放熱量急劇增添，因而在新電池體制中，正負極氧化還原反映發(fā)生大批熱量是導(dǎo)致熱失控的干脆原因，而不但僅是慣例電池體制中隔膜崩潰導(dǎo)致內(nèi)短路激發(fā)熱失控。

鑒于上述機理剖析，對各式電池資料放熱副反映相干參數(shù)發(fā)展測量，再應(yīng)用熱剖析能源學(xué)發(fā)展剖析和參數(shù)優(yōu)選，最終把全部副反映整合起來就能對全個熱失控進程發(fā)展預(yù)測。因此，鑒于明確的電池?zé)崾Э仡A(yù)測，可用于指導(dǎo)電池平安性設(shè)置。在統(tǒng)算多個電池資料體制的熱穩(wěn)固性參數(shù)的根基上，可行提議一系列電池?zé)崾Э靥匦缘母牧挤椒�，包括正極改性、負極改性、提高電解液的穩(wěn)固性、采納熱穩(wěn)固性高的隔膜等，要害在于如何發(fā)展組合。這邊只展現(xiàn)此中一個方法，對正極資料的形貌改良，將慣例三元多晶正極改良為單晶大顆粒構(gòu)造的三元正極，單晶正極的產(chǎn)氧比多晶正極延后了100℃，熱失控最高溫度也有所下降。

電池體系的熱蔓延與熱治理

假如前面全部方法都失效，就要從全個體系的方位來考量難題。例如激烈磕碰或許底盤被銳利物質(zhì)刺穿，會立即熱失控，這是時有產(chǎn)生的，這類熱失控只能從體系層次解決。

起首發(fā)展熱失控蔓延進程測試，顯著瞧出電池單體一種繼續(xù)一種，像放鞭炮一樣的熱失控。

其次，發(fā)展了并聯(lián)電池模組熱蔓延測試，發(fā)覺并聯(lián)模組熱失控蔓延的獨有特征，即多段V字形電壓下調(diào)；在實車級電池模組不加抑制的概況下，熱失控擴展在電池模組中可表現(xiàn)提速效應(yīng)，并終歸導(dǎo)致全個模組激烈燃爆。

再一次，發(fā)展熱失控噴閥特性測試，在密閉定容的燃燒彈中，用快速攝影機紀錄了熱失控噴發(fā)全進程，從測試中發(fā)覺了噴射流表現(xiàn)了氣-液-固三相共存的特征，此中氣體噴射速度多達137m/s。

繼續(xù)，構(gòu)建電池模組熱失控蔓延的集總參數(shù)熱阻模子以及能源電池體系熱失控蔓延三維仿真模子，上述模子最難的是如何確定全個熱蔓延進程首尾的熱物性參數(shù)，假如不行確定這點參數(shù)，模擬結(jié)果只能是好見不是好用，咱們課題組開發(fā)了參數(shù)預(yù)計的方法，實驗和仿真可行發(fā)展很沒有問題吻合。

在此根基上發(fā)展了熱蔓延抑制設(shè)置，包括隔熱設(shè)置和散熱設(shè)置，隔熱設(shè)置是應(yīng)用不同隔熱資料防止模塊熱蔓延，散熱設(shè)置是不同液冷流量對熱蔓延發(fā)展抑制。在通常的電池體系中，隔熱和散熱單獨就能解決熱蔓延的進程，可是在新電池體制中須要把隔熱和散熱兩者聯(lián)合起來抑制熱蔓延，這便是所謂的防火墻技藝。

現(xiàn)在，熱蔓延技藝曾經(jīng)利用到世界準則的制訂中，日前全世界還無同一的熱蔓延準則，華夏很快會導(dǎo)入熱蔓延準則。熱蔓延是導(dǎo)致平安車禍的最終一道防線，咱們必需把好這道最終防線，并力爭將華夏經(jīng)歷推廣到全世界，成為全世界性的法則。

最終做一下總結(jié)：熱失控包括誘因、產(chǎn)生和蔓延三個進程，誘因最重要的有兩個，一是過充、快充、老化電池、低溫充電等導(dǎo)致的析鋰，二是各式原因?qū)е碌膬?nèi)短路。從體系自身平安性和資料體制的方位，發(fā)展單體電池?zé)崞桨苍O(shè)置，在其它方法不可以的概況下發(fā)展熱失控蔓延的抑制。

展望未來鋰離子電池能量密度會接著提升，300Wh/千克的能量密度曾經(jīng)達到了，空間和能量都提高是不可逆轉(zhuǎn)的趨向。在這類概況下，對平安防控的技藝請求會越來越高，咱們要致力解決鋰離子電池的平安性難題，進行出愈加平安的鋰電池，確保電動車子車資產(chǎn)的順利進行。在此根基上，國度新燃料車子要點專項的行家組也造成了下一步鋰離子能源電池技藝路線圖，這種是在2年前做出的，咱們還可行接著運用它，要造成平安的高比能量電池，從正極資料看，從日前的高鎳三元進行到富鋰錳基資料，鋰離子電池正極資料另有相當(dāng)大的進行體積。從負極方位看，當(dāng)前的要點是硅碳負極，下一步一步步提升硅的比重，當(dāng)硅的比重提升到必定水平時，快充難題也會迎刃而解。日前更要緊的是電解液和隔膜，此中電解液須要增添添加劑，與正極和負極造成界面，用以障礙正極失氧和負極析鋰，而固體電解質(zhì)還須要必定的時間進行。