電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
2019年1月11-13日，中國電動車百人會論壇（2019）在北京釣魚臺國賓館召開，中國科學技術大學教授、歐盟科學院院士孫金華發表了主題演講，演講內容如下：
（依據錄音整理，未經本人審閱）
尊敬的吳院士，各位同仁，各位朋友，大家下午好！我來自于火災科學國家重點實室，做安全的，有時候覺得做安全有點尷尬，因為一個企業或者一個行業起步或者發展的時候，雖然講要重視安全，往往安全被忽略。因為你要追求安全的話，不萌生經濟效益，反之要提高安全需要付出大量的成本。當一個產業或者行業發展起來以后，出了安全問題我們安全的人又會出來講，你們開始不重視我們，所以造成這樣那樣的問題，所以我們又不受待見，總覺得有點尷尬。我今天的匯報，我不做鋰離子電池，我們主要從安全的角度看看鋰離子電池的火災危險性如何，我們如何對它的火災危險性進行防控。
匯報的提綱有五個部分：
第一部分，背景我想大家都非常清楚了，時間關系把它跳過去。
我們團隊2003年就開始對鋰離子電池安全開始研究，我們跟其他做鋰離子電池的團隊是不一樣的，他們的目標是圍繞著提高鋰電池的能量密度、提高它的循環性能、壽命等等，我們還是想從安全的角度，如何科學認識鋰電池的危險性，如何用有效的技術手段去防控它。
我們的思路有哪些呢？首先對鋰電池要搞清楚它的火災孕育機制有哪些？鋰電池發生火災，它的熱量從什么地方來？它里面有很多反應，主控的反應機制有哪些？這是我們首先要清楚的。第二，這個電池一旦發生火災以后，危害性多大、火災行為什么樣、規律什么樣？
我們搞清楚了它的孕育機制、搞清楚了它的火災行為規律，我們怎么對它的火災進行防控，發展相應的科學合理的火災防控辦法。
第二部分，鋰電池系統反應的熱動力學。有的地方可能跟艾老師有點相象，我們主要做的，在鋰電池當時，不同的荷電狀態我們解剖開來，電池與電解液的反應如何、發生的熱量如何，包括正極和電解液的反應、負極和電解液的反應，荷電狀態與產熱的關系。這是負極，剛剛艾老師講也有SCI膜，依據不同的材料、不同的成形分析溫度是不一樣的，而且反應開始也是從SCI膜開始的。
對整個電池來講，它的發熱是由多個反應重疊而成的，在這樣的情況下我如何把這個重疊的反應給它解耦解出來。我們用了數學的辦法和幾何、化學等這樣一些測量不同溫度下的產物，再用數學的像去卷積風險辦法、遺傳算法這樣的辦法，把整個全電池的反應放熱系統可以把它分成若干個反應，比如說對整電池我們就可以變成ABCDEF這么六個分反應，從而厘清了各個分布反應過程它對電池熱失控的一個貢獻，同時我也能做出各個分布過程的動力學參數和熱力學參數。
電池材料的化學反應，是要到達一定的溫度才能進行化學反應。一定溫度之前熱量怎么來？我們也做了，在正常得充放電情況下，包括其他濫用情況下它物理的產熱，這個產熱比如循環儀加上絕熱加速量熱儀，來測量在不同的充放電倍率情況下物理的現象萌生的熱量，這個熱量如果不及時導出去，就會使電池體系溫度升高，引起電池的化學反應，最后造成電池的失控。這個基礎上我們建立了耦合電化學模型和熱電耦合電池熱失控模型，并且也發展了電池熱失控預測軟件。
第三部分，知道清楚了電池熱失控機制以后，我們看電池發生火災以后的危險性如何，電池和電池組之間火焰是怎么傳播的。
我們用了ISO9705標準的大型鋰電池火災危險性側室平臺，我們可以測50，200安時大型鋰電池在不同荷電狀態下的火災危險性，比如我們做了往日鈷酸鋰的、錳酸鋰的，今朝磷酸鐵鋰的，包括三元材料的等等。
通過這個試驗我們發覺，對于不同的荷電狀態火災特性是不一樣的，比如說荷電狀態比較高的，百分之百荷電狀態的時候，發現這個火有多次射流火的狀態存在，比如開始著火了，限壓閥打開以后火噴出來噴的老遠，噴出來以后火小了，有一個小小的穩定火，過一段時間以后火又噴的很高，反反復復，有多次射流火的存在，最后把這個電池燒完。同時我們用剛才講的熱釋放速率測量平臺，測量了鋰離子電池在火災情況下的放射行為，它放的熱量究竟多大，不同SOC狀態的時候它的熱量是多少。
同時我們也針對一個模組、一個PACK里面有好多電池，某一個電池失控的時候對周圍電池是怎么傳播的，通過一個試驗包括測量熱釋放速率等等手段，表征了火災熱釋放模型整個過程。有兩個電池的、三個電池的、四個電池的包括九個電池的、十六個電池的都做了，最后建立了電池模組內部傳播的一個火焰模型。
第四部分，我們搞清楚了電池的火災特性以后如何提高電池的安全性。有本質安全、有過程安全，還有最后的消防安全。
本質安全，還是通過前面機理的研究，我們發現里面的電解液與負極的反應跟正極的反應放出熱量是最多的，是一個熱失控主控的反應，我們首先提出了微型滅火器，就是在電解液當中引入了微型滅火器的概念，形成了阻燃電解液，基本上是燒不著的，而且它的電循環性能跟傳統的電解液不比那個差，做的電池用針刺的時候都不會著火。
本質安全，我們對于電池的安全來講可能是作為第一道防線。下面完完全全讓電池不著火是不可能的，電池可能還會有一定著火的概率，這個時候我們對電池著火進行預測預警。預測預警我們是怎么做的呢？對于不同類型的、不同大小的、不同荷電狀態的鋰電池，我人為的使它熱失控，這個失控包括過充、外短路、內短路、環境加熱等等，我來測量電池的比如外表面的溫度，電池的斷電壓、電池的內阻等等這樣的參數，再結合電池的結構以及傳熱模型，我們找出能夠來表征這個電池熱失控的一個預警參數，這個預警參數有的是多參數的。
這個就是我們做的一些試驗，比如這個是18650的，給它平均升溫時候的熱失控，右邊是42安時的軟包電池過充的一個熱失控試驗，從而找出它發生失控的臨界參數。
最后發展一個預警的辦法，比如說我們對南方電網的儲能電站，鈦酸鋰離子電池的，通過我們對它所用電池的熱失控參數的試驗，提取了判別參數，我們給出了三級報警和控溫的策略。同時我們還對電池著了火以后怎么去滅火進行了系統的研究，這里面我們研究了不同的滅火介質，包括水、丙烷、二氧化碳、氮氣等等，這些都去進行過嘗試，嘗試下來，對于我們鋰電池滅火來講，不僅僅要滅掉它的明火，而且要對鋰電池降溫。
同時我們還發展了一個新的，基于火探管，能檢測到火災，檢測到火災以后能在火災點的地方破碎，能夠點對點的滅火。
同時我們也對大型的鋰離子電池進行了滅火試驗，從大型鋰離子電池滅火試驗來看，我們滅火器噴灑能夠把這個火滅掉，但是火滅掉以后這個溫度又會升高，升高到四五百度，還有復燃的情況，針對這樣的情況我們怎么做呢？我們設計了具有二次或者多次滅火功能的消防系統，即使我撲滅了這個火，過一段時間復燃了，我還能持續把它滅火。
我們也取得了一些理論和技術的成果，而且也在很多的產業或者是工業，比如說像南方電網、國網的一些儲能電站，包括華為手機電池的預測預警，包括我們的安全電解液在國軒也都成功的使用。
最后我想做一個解析，今年7月份在合肥我們要召開第一屆鋰電池火災安全的國際研討會，我們跟美國NFPA的一個期刊合辦，好的文章會在那個上面出版，這也是SCI一個核心庫的刊物。
我的匯報就到這里。謝謝各位專家。
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