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欧阳明高院士:电池热失控的三个特征及四种控制方法

液压机械 2022-04-11 19:55 0
核心提示:中国科学院院士,清华大学欧阳明高教授发表主题演讲。电池安全在交通以及现代出行方面有非常重要的应用价值,特别是在能源安全方

中国科学院院士,清华大学欧阳明高教授发表主题演讲。

 

 

电池安全在交通以及现代出行方面有非常重要的应用价值,特别是在能源安全方面,也是全球关注的要点。

 

 

美国能源部(DOE)和德国科学教育部(BMBF)及相关国际知名学者发起了国际电池安全研讨会(International Battery Safety Workshop,IBSW),并相继于2015年在德国慕尼黑工业大学、2017年在美国Sandia国家实验室,成功举办了第一届和第二届国际电池安全研讨会(IBSW)。

 

 

2019年10月7日,第三届国际电池安全研讨会在北京召开,大会由清华大学电池安全实验室主办,会议主题是“为电动汽车制造更安全的高比能电池”。会上,中国科学院院士,清华大学欧阳明高教授发表主题演讲,介绍了“清华大学动力电池安全性研究”。

 

 

 

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内容经整理,如下:

 

 

女士们,先生们,大家早上好!我来自于清华大学。首先介绍一下我们清华大学新能源动力系统课题组,我们从2001年以来,是国家新能源汽车重点专项主要的研发团队,也是中美清洁能源汽车合作中方的牵头团队。我们团队主要有几个方面的研究,包括动力电池、燃料电池和混合动力。在动力电池方面,我们主要是做安全性;在燃料电池方面,我们主要是做耐久性;在混合动力方面,我们主要是做内燃机的排放控制。所以这是我们主要的三个聚焦点。今天我给大家主要介绍我们在安全性方面的研究结果。清华大学电池安全实验室在2009年创立,重点就是做电池安全性,具体来说就是电池的热失控,下面我给大家介绍我们在热失控方面的研究进展。

 

 

大家知道,安全是现在电动汽车重点关注的问题,有各种原因引起安全的事故。一旦在一个电池中诱发了热失控之后,会在整个电池系统中间蔓延,最后形成事故。

 

 

这是我们在电池安全方面的一些合作伙伴,包括国际上主要的汽车厂商和主要的电池厂商、以及国内的主要汽车厂商和主要的电池厂商,我们也向国内外公司许可知识产权专利技术等等。

 

 

这是我们电池安全实验室,昨天很多参会代表已经参观过我们的实验室,欢迎大家去参观交流。

 

 

在我们电池安全实验室有一系列的测试手段,其中比较有特色的就是用ARC对热失控进行绝热的热失控实验,我们是全球率先对大容量动力电池进行ARC实验的单位。

 

 

经过大量实验研究,我们总结出了电池热失控的三个特征温度,自生热起始温度T1,热失控引发温度T2、热失控最高温度T3,我们也做过很多类型的动力电池测试,都符合这个规律。其中T2又是最关键的,什么反应T1大家都是比较清楚的,一般是SEI膜开始的,T3取决于整个反应焓,T2还不是很清楚,但也是最关键的,为什么由一个缓慢的升热会突然引发急剧的升热,而且升热速率可以达到1000度/秒甚至以上,这才是引发热失控的关键。所以通过对T2的探究我们发现有三个主要的原因,第一个大家比较清楚的就是内短路,它最终是跟隔膜相关的,就是正负极内短路。还有我们新阐释的正极材料释氧、负极的析锂,总结下来就是正极释氧、负极析锂、隔膜崩溃,这三个原因是最终引发热失控形成T2的主因。

 

 

下面我分别针对前面讲到的三种机理给大家介绍我们在机理方面的以及热失控控制的进展,包括,第一,内短路和我们控制内短路的方法,就是BMS。第二,正极释氧引发的热失控和电池的热设计。第三,负极析锂跟电解液的剧烈反应导致的热失控以及我们的充电控制。如果这三个机理、三种技术都不能解决热失控问题,我们还有最后一招,就是抑制热蔓延,我们要了解热蔓延的规律,同时把热蔓延抑制住,最终防止安全事故的发生。

 

 

下面我就这四个方面给大家介绍:

 

 

第一,内短路和BMS。比较清楚的是机械的原因,比如碰撞,机械方式,最后是隔膜的撕裂,或者是电的原因,充电过充,枝晶析锂、枝晶刺破隔膜,或者是过热,当然最终都会到过热,过热会导致隔膜的崩溃,所有的原因都跟内短路有关,只不过是内短路的程度不一样、演变的过程不一样,但是最后都会到隔膜崩溃和隔膜熔化。所以我们利用加热量热仪和DSC两种联合起来,一个是从材料的放热来解释它的机理,一个是从加热量热对整个单电池进行热失控实验,把热失控的实验跟材料放热特性联合起来分析,这就是我们常规的过热之后热失控的机理。我们可以看出,隔膜的熔化会导致内短路,升温开始,到隔膜崩溃就会形成T2,直接引发热失控,这就是一种较为普遍的原因。我们还使用了很多其他的辅助手段,包括各种材料分析手段,还有热重和质谱联用的方式,来进行各种物质的分析。

 

 

这是我们一套基本的分析方法,可以对各种电池、各种机理进行分析。

 

 

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