鉅大LARGE | 點擊量：7732次 | 2019年05月06日
從安全的角度看看鋰電池的火災危險性怎么樣
1月11-13日，中國電動汽車百人會論壇（2019）在北京釣魚臺國賓館召開，中國科學技術大學教授孫金華發(fā)表了主題演講，演講內(nèi)容如下：
中國科學技術大學教授孫金華
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(yè)或者一個行業(yè)起步或者發(fā)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，不產(chǎn)生經(jīng)濟效益，反之要提高安全需要付出大量的成本。當一個產(chǎn)業(yè)或者行業(yè)發(fā)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，我不做鋰電池，我們主要從安全的角度看看鋰電池的火災危險性怎么樣，我們怎么樣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。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
我們團隊2003年就開始對鋰電池安全開始研究，我們跟其他做鋰電池的團隊是不一樣的，他們的目標是圍繞著提高鋰離子電池的能量密度、提高它的循環(huán)性能、壽命等等，我們還是想從安全的角度，怎么樣科學認識鋰離子電池的危險性，怎么樣用有效的技術手段去防控它。
我們的思路是什么呢？首先對一個鋰離子電池，我要搞清楚它的火災孕育機制是什么？這里面鋰離子電池發(fā)生火災，它的熱量從什么地方來？它里面有很多反應，主控的反應機制是什么？這是我們首先要清楚的。第二，這個電池一旦發(fā)生火災以后，危害性多大、火災行為什么樣、規(guī)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(guī)律，我們怎么對它的火災進行防控，發(fā)展相應的科學合理的火災防控方法。
第二部分，鋰離子電池系統(tǒng)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，在鋰離子電池當時，不同的荷電狀態(tài)我們解剖開來，電池與電解液的反應怎么樣、發(fā)生的熱量怎么樣，包括正極和電解液的反應、負極和電解液的反應，荷電狀態(tài)與產(chǎn)熱的關系。這是負極，剛剛艾老師講也有SCI膜，根據(jù)不同的材料、不同的成形分解溫度是不一樣的，而且反應開始也是從SCI膜開始的。
對整個全電池來講，它的發(fā)熱是由多個反應疊加而成的，在這樣的情況下我怎么樣把這個疊加的反應給它解耦解出來。我們用了數(shù)學的方法和幾何、化學等這樣一些測量不同溫度下的產(chǎn)物，再用數(shù)學的像去卷積風險方法、遺傳算法這樣的方法，把整個全電池的反應放熱系統(tǒng)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(shù)和熱力學參數(shù)。
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，在正常得寵放電情況下，包括其他濫用情況下它物理的產(chǎn)熱，這個產(chǎn)熱比如循環(huán)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(xiàn)象產(chǎn)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(fā)展了電池熱失控預測軟件。
第三部分，了解清楚了電池熱失控機制以后，我們看電池發(fā)生火災以后的危險性怎么樣，電池和電池包之間火焰是怎么傳播的。
我們用了ISO9705標準的大型鋰離子電池火災危險性側室平臺，我們可以測50，200安時大型鋰離子電池在不同荷電狀態(tài)下的火災危險性，比如我們做了以前鈷酸鋰的、錳酸鋰的，現(xiàn)在磷酸鐵鋰的，包括三元材料的等等。
通過這個實驗我們發(fā)覺，對于不同的荷電狀態(tài)火災特性是不一樣的，比如說荷電狀態(tài)比較高的，百分之百荷電狀態(tài)的時候，發(fā)現(xiàn)這個火有多次射流火的狀態(tài)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(wěn)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，測量了鋰電池在火災情況下的放射行為，它放的熱量到底多大，不同SOC狀態(tài)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?qū)χ車姵厥窃趺磦鞑サ?，通過一個實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(nèi)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怎么樣提高電池的安全性。有本質(zhì)安全、有過程安全，還有最后的消防安全。
本質(zhì)安全，還是通過前面機理的研究，我們發(fā)現(xiàn)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(huán)性能跟傳統(tǒng)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(zhì)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(tài)的鋰離子電池，我人為的使它熱失控，這個失控包括過充、外短路、內(nèi)短路、環(huán)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(nèi)阻等等這樣的參數(shù)，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(shù)，這個預警參數(shù)有的是多參數(shù)的。
這個就是我們做的一些實驗，比如這個是18650的，給它均勻升溫時候的熱失控，右邊是42安時的軟包電池過充的一個熱失控實驗，從而找出它發(fā)生失控的臨界參數(shù)。
最后發(fā)展一個預警的方法，比如說我們對南方電網(wǎng)的儲能電站，鈦酸鋰電池的，通過我們對它所用電池的熱失控參數(shù)的實驗，提取了判別參數(shù)，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(tǒng)的研究，這里面我們研究了不同的滅火介質(zhì)，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，對于我們鋰離子電池滅火來講，不僅僅要滅掉它的明火，而且要對鋰離子電池降溫。
同時我們還發(fā)展了一個新的，基于火探管，能探測到火災，探測到火災以后能在火災點的地方破裂，能夠點對點的滅火。
同時我們也對大型的鋰電池進行了滅火實驗，從大型鋰電池滅火實驗來看，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(tǒng)，即使我撲滅了這個火，過一段時間復燃了，我還能繼續(xù)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(chǎn)業(yè)或者是工業(yè)，比如說像南方電網(wǎng)、國網(wǎng)他們的一些儲能電站，包括華為手機的預測預警，包括我們的安全電解液在國軒也都成功的應用。
最后我想做一個介紹，今年7月份在合肥我們要召開第一屆鋰離子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，好的文章我們會在那個上面出版，這也是SCI一個核心庫的刊物。
