清華大學何向明：減少電池發生內短路概率提高安全性 2016-11-30 16:32:43
摘要：清華大學核研究院何向明教授在2016中國儲(chu) 能技術與(yu) 應用大會(hui) 上表示，減少電池發生內(nei) 短路的概率是燃料電池安全性的解決(jue) 之道。
以下為(wei) 何向明授作“動力電池安全性解決(jue) 方案”報告文字實錄：
何向明：謝謝主持人，謝謝大會(hui) 邀請，很高興(xing) 在這裏分享我們(men) 在動力電池安全性近十年來的心得和我們(men) 做的一些工作。我今天的報告的主要內(nei) 容大概有那麽(me) 一些，鋰離子電池安全性問題的重要性、安全性標準現狀，安全性實質、概念，誘因演變機製這些大家都很關(guan) 心。鋰離子電池熱失控怎麽(me) 應對策略，還有電池怎麽(me) 樣做更安全。關(guan) 於(yu) 這幾個(ge) 方麵跟大家分享。
我們(men) 知道鋰離子安全性非常重要，其實它與(yu) 市場息息相關(guan) 。我記得以前經常說的一句話就是美國能源部長的一句話，如果你不安全，你就很難生存下去。我們(men) 可以看到Note7大家都知道幾次事故使它已經退出市場，損失是巨大的。不僅(jin) 是手機本身的損失，這個(ge) 品牌聲譽的損失也很大。
左邊我們(men) 可以看到從(cong) 06年大量這些召回事故和電池和相關(guan) 應用企業(ye) 造成巨大的損失，這個(ge) 代價(jia) 是非常巨大的，對品牌的影響力，本來競爭(zheng) 就是那麽(me) 激烈，稍微有點事故，對品牌的影響是非常大的。所以現在估計大家買(mai) 三星的手機會(hui) 非常少了，Note7根本就沒人買(mai) 。現在你上飛機，帶Note7上飛機有很大的問題。很多公司要求把Note7交出來，不許帶上飛機。這是很嚴(yan) 重的事故。這是曆史上的事故，飛機的事故是著名的事故，06年一個(ge) 電動工具，首次鋰電池用在電動工具，電池是AESM，工具是布施（音）公司，從(cong) 美國運到歐洲去，在費城剛剛起飛這個(ge) 飛機就冒煙，趕緊返回機場，就燒成這樣。這個(ge) 事故導致聯合國和國際民航組織製定規定，飛機不能運鋰電，之前可以運，之後不能運了。再加上其他運行的事故，都是鋰電的事故影響非常大。
電動車領域都有，豐(feng) 田、雪佛蘭(lan) 都有，還有波音787夢幻飛機在2011、2012年大量事故造成電池安全性。這是我們(men) 國家電動車，2012年4月份杭州出租車，全國電動車每周有一到兩(liang) 次重大事故。算上電動自行車每天有很多事故。清華大學從(cong) 明年開始禁止電動自行車入校，每年都有很多事故。尤其是在宿舍裏充電，把宿舍燒了的情況都會(hui) 有，越來越嚴(yan) 重。電動車普及，安全問題越來越嚴(yan) 重。
特斯拉也是，在歐洲、北美、中國都有事故，最近有十幾次的特斯拉的情況，這是著名的電動車了。
電池的事故其實是一個(ge) 概率事件，什麽(me) 叫詭異？就是不可消除。對18650從(cong) 1993年凱斯大量生產(chan) ，非常成熟，事故概率非常小，千萬(wan) 分之一，特斯拉采用那樣的電池，每輛車上有七八千個(ge) 電池，幾千萬(wan) 分之一，對特斯拉來說就是一萬(wan) 輛車一年有一輛著火。特斯拉比較適合這個(ge) 規律。現在單組電池不斷的增大，有到幾百盎時，實際上這個(ge) 概率要大很多。再加上現在電池在實際工況很複雜的應用，產(chan) 生概率就會(hui) 更高。現在對電池的安全性研究大家束手無策，好象沒招。
現狀就是各個(ge) 組織，尤其是以UL為(wei) 代表，和電動車協會(hui) 等等製定大量極其嚴(yan) 格的安全性測試標準。但是這些測試都是有一個(ge) 例外，什麽(me) 例外，像UL對所有產(chan) 品的安全性測試都知道全世界最著名的。但是對鋰電來說是（英文）。通過UL的安全性測試的電池，UL並不保證你這個(ge) 電池是安全，並不保證你這個(ge) 電池不出事，這是一個(ge) 大家不太好理解。所有組織製定這些測試標準，都不能保證電池不燃燒，不爆炸，不出事，不包括你安全，這是目前在鋰電行業(ye) 是一個(ge) 比較嚴(yan) 峻的挑戰。
所以這個(ge) 現狀為(wei) 什麽(me) 產(chan) 生這個(ge) 呢？我們(men) 發現發生安全性事故的鋰離子電池之前均通過安全認證，都是合格品，好東(dong) 西。對筆記本電腦來說，大規模生產(chan) 的18650，規模比較好找。大概是好的18650是幾千萬(wan) 分之一的概率，二三線品牌是幾百萬(wan) 分之一的概率。而且發生事故是不確定性的，非常糟糕。我們(men) 思考其實原因就是目前基於(yu) 濫用條件的安全性檢驗標準，與(yu) 安全性事故幾率之間沒有科學聯係。你這個(ge) 標準製定和電池發生事故之間沒有科學聯係，是兩(liang) 回事，你說你的，我說我的。
我們(men) 來看目前的安全性標準都是濫用安全性標準，基於(yu) 濫用安全性。什麽(me) 是濫用安全性？我來進行機械、電、熱，進行積壓、針刺，電的短路、過充，熱的，熱箱、火燒。實際產(chan) 生安全性不是這種情況下，而是電磁在正常情況下就突然著火。是製造瑕疵，後者是發熱失控。它是兩(liang) 個(ge) 類型安全性概念。
對於(yu) 濫用熱失控來說，它是可以預測。我不濫用它就是好的，濫用它就可能不安全。而且它對每一個(ge) 電池都是適應，每一個(ge) 電池你去濫用它，它都會(hui) 發生事故。可以通過測試評估，濫用手段，這個(ge) 電池安全不安全可以知道，發生過程也是可以預測，可以保護。保護很容易，你說它的短路，我們(men) 可以用一個(ge) 電阻把它短開，它過充我有保護板，他穿刺我就有外殼等等來改善它，這是濫用熱失控電池的情況。
實際發生安全性，我們(men) 說它自引發熱失控，第一不可預測，什麽(me) 時候發生你不知道，這裏很討厭。第二小概率事件，不是每個(ge) 電池都會(hui) 發生，而且你無法通過電池評估和質量管理來消除目前的狀態。當然現在我們(men) 的研究已經開始逐步進行一部分的評估，它的發生是突然的。目前所有保護措施對它都是無效，都會(hui) 有事故發生。安全性這些概念跟過去有很大的不一樣，由於(yu) 它們(men) 之間沒有科學的聯係，現在的安全性標準不能保證電池安全，原因就是這個(ge) 。
鋰離子電池安全隱患誘因，內(nei) 短路，化學、物理、機械的外因，利用不當等各種原因，內(nei) 短路或者是正負極碰撞或者是瑕疵等等很多原因造成內(nei) 短路，電池不安全。
比如電池在充放電過程當中，有收縮膨脹的概念，收縮膨脹達到一定程度下，電池會(hui) 被它技術機械損傷(shang) ，正負極就會(hui) 短路，發生熱失控。很多電池發生熱失控主要原因都是這樣的一個(ge) 原因。
內(nei) 短路和外短路差別很大，我們(men) 現在的檢驗標準主要是用於(yu) 外短路，由於(yu) 短路以後整個(ge) 電池發熱是非常均勻。內(nei) 短路是局部點上的高溫，兩(liang) 個(ge) 區別是非常大。最近我們(men) 有很多文章，大家可以去測。
對於(yu) 熱失控內(nei) 短路與(yu) 安全性研究，第一內(nei) 短路的測試評估，即使內(nei) 短路會(hui) 發生這個(ge) ，我們(men) 能不能測試評估它呢，可不可以呢。我們(men) 想想，實際還是可以的。實際去做，還是可以找到一些現象。第二就是內(nei) 短路的產(chan) 生到底是怎麽(me) 產(chan) 生？怎麽(me) 去規避它，這是安全性研究的一些重點。外第三個(ge) 點就是這些內(nei) 短路產(chan) 生電池的發熱，我從(cong) 熱的概念控製它，為(wei) 什麽(me) 發熱或者是發熱比較小就是控製電池安全性的手段之一。
因為(wei) 今天我剛才講了安全性的概念，今天講的是動力電池安全性的解決(jue) 方案。其實這是大家最關(guan) 心的，安全性到底怎麽(me) 來解決(jue) 它，這是大家最關(guan) 心的。
解決(jue) 方案實際上是兩(liang) 個(ge) 層麵，一個(ge) 層麵就是減少電池發生內(nei) 短路的概率。我在設計、製造等過程中使內(nei) 短路的原因盡量消除掉或者說完全消除掉，看能不能消除掉。這裏麵包括金屬異物引起的化學內(nei) 短路，鋰析出引起的裏直徑內(nei) 短路，鋰析出與(yu) 電解液反應引發局部高溫，內(nei) 短路。這個(ge) 原因是電池的設計和應用的一個(ge) 存在的可能性是不可消除的，所以必須去召回。隔膜瑕疵引起內(nei) 短路，極片不平衡引發內(nei) 短路等等很多。
我上星期在達沃斯論壇在長沙講了這個(ge) 內(nei) 容，今天不好重複講。我今天講的是如果電池發生內(nei) 短路或者電池已經發生發熱，我們(men) 控製它發生熱失控，主要從(cong) 材料化學改進角度我們(men) 來看看電池能不能控製它的安全性。第一我們(men) 要搞清楚電池發生熱失控的機理是什麽(me) ？為(wei) 什麽(me) 發生熱失控，化學層麵反映機理是什麽(me) ？我們(men) 可以對控製掌握方法。材料化學改進對電池安全性的改進方麵的一些工作。
對熱失控過程，熱失控是60度開始電池有一些放熱反應，放熱反應使電池溫度升高。升高也會(hui) 引發新的放熱反應。又把溫度繼續推高，又引發新的放熱反應，大概那樣的一個(ge) 過程。不同的電池體(ti) 係，電池細節有一些差異，總的來說基本是那麽(me) 一個(ge) 規律。
這個(ge) 規律我們(men) 做了一個(ge) 實驗，一個(ge) 電池，我做完充電和放電的過程，首先發現充滿電的電池，它的自發熱的起始溫度，我這個(ge) 電池裏麵所有化學反應第一個(ge) 自己會(hui) 發生放熱反應的起始溫度是90度，發生熱失控溫度會(hui) 導致880度，實際比這個(ge) 高，這是我們(men) 熱電測試到的溫度。對放完電的電池，發生自放熱的溫度是115度，最高溫度達到450度，這是從(cong) 熱的概念來看。
通過這些實驗，我們(men) 可以把電池裏麵主要的放熱反應的放熱量測出來，通過一些模型模擬測試把它得到。我們(men) 可以通過過程測試得到放熱的放熱策略，放熱量和放熱速率是電池發生熱失控最根本的一些科學的因素。我們(men) 想通過這些因素的研究，來找到熱失控之間更加科學定量化的這些關(guan) 係。
隨著溫度升高，電池內(nei) 部放熱速率的圖，接近100度的時候它有一個(ge) 恒定的放熱速率。到了120度的時候有一個(ge) 吸熱風，放熱速率以指數形式一直往上走。到了130度以上就是指數，超過250度以後就是雙指數發展，指數增長，這就是一個(ge) 放熱速率的情況。
通過這些我們(men) 可以畫出一個(ge) 電池內(nei) 部放熱量的一個(ge) 圖。通過這個(ge) 圖我們(men) 就可以把它一個(ge) 一個(ge) 放熱反應找出來，把主要的放熱反應找出來，我們(men) 可以在每一個(ge) 化學反應的物質上做功夫把它改進。我們(men) 設計了熱穩定性正極，聚合物添加劑，熱穩定粘結劑，阻燃電解質溶劑。通過化學反應放熱減少了，它的溫度升高慢了，降低反應速率，熱量可以被盜走一部分。可以提高某些化學反應發生的溫度，這個(ge) 是可以的。再加上降低電池溫度升高的速率，改變熱失控路徑，切斷放熱反應，改造一個(ge) 安全的電池。在負極來說主要是SEM的放熱，簡單來說對負極來說穩定SEM或者說麵積比較小SME比較少，它的放熱量就會(hui) 比較少。對正極來說是析氧反應，大家都知道。做熱重的時候，正極會(hui) 析出這個(ge) 氧，氧會(hui) 氧化電解質，放出大量的熱量。我們(men) 把這個(ge) 反應切斷，正極不析氧，正極安全很多。這是個(ge) 材料根據它析氧的情況得出材料的安全性，材料安全性跟電池安全性不一樣。
這是正極，隔膜也是，今天用了大量的陶瓷隔膜可以組織正負極接觸，對電池安全性貢獻比較大。通過這些手段我們(men) 可以做到一些比較安全的電池，我們(men) 製造50Ah單元三元電池，還有電池的散熱也很重要，電池做到很好的散熱，電池不能設計很厚，扁型電池6-7毫米最高了，再大有問題。
我們(men) 課題組做哪些關(guan) 鍵材料，第一是聚合物材料阻燃添加劑，這個(ge) 添加劑加到電池裏可以減緩放熱反應，使放熱反應速率大幅度的降低。對2ah單元三元材料電池來說，加2%的添加劑，電池可以非常的安全，對大電池來說還不夠。不加這個(ge) 材料就會(hui) 燃燒爆炸，這是安全性研究一個(ge) 最關(guan) 鍵的點。你的任何關(guan) 鍵性的改進，不能改變電池性能，電池性能降低，大家是不接受你這個(ge) 安全性技術。
還有隔膜上一些阻燃，就點不著了。還加上阻燃溶劑，阻燃劑加比較多，電池就不能運行了。我們(men) 設計一個(ge) 阻燃劑可以加到40%，相當於(yu) 一種溶劑，這個(ge) 電池性能保持不變。這個(ge) 容器怎麽(me) 點也點不著，加了40%的阻燃溶劑。有粘結劑，電池安全性就可以提高了，這個(ge) 粘結劑對電池性能不僅(jin) 不降低，還有提升。還有正極也是，可以做到高熱穩定，也是一個(ge) 電池安全性重要的技術。這樣其實三元材料可以做的基本安全性差別不大。還有隔膜，陶瓷隔膜也是對安全性非常重要。
對於(yu) 電池安全性的研究，希望越來越多的人來參與(yu) 。第一目前電池我們(men) 整個(ge) 來進行測試評估，不是用現在的濫用安全手段來評估。而是針對基於(yu) 內(nei) 短路的安全性機理進行評估。第二提到內(nei) 短路產(chan) 生，哪些瑕疵造成這些產(chan) 生，我怎麽(me) 評估它，怎麽(me) 消除它。第三不斷的在材料領域使它的電池不發熱。大家知道汽車汽油也是很不安全，但是汽油在車裏是安全的。因為(wei) 跟汽油接觸的物質都是很穩定。電池也是，電解液很容易著火，跟電解液接觸的物質做到很穩定，電池就是安全，這是我們(men) 做安全性基本思路。我的報告就是這些。(云顶电子游戏网站登录)
