歐陽明高團隊破解鋰離子動力電池燃燒機理

  • 2019-07-01 15:54
  • 來源:電車資源EV江湖

摘要:進入夏季以來,接連發生了多起電動汽車火災事故,引起了社會各界的廣泛關注和憂慮,新能源汽車為什么火災頻發?是什么原因引起的火災?能不能控制?能不能預防?

歐陽明高團隊破解鋰離子動力電池燃燒機理

【電車資源EV江湖 沈哥聊車事】進入夏季以來,接連發生了多起電動汽車火災事故,引起了社會各界的廣泛關注和憂慮,新能源汽車為什么火災頻發?是什么原因引起的火災?能不能控制?能不能預防?

6月23日,在中國電動汽車百人會青海論壇上,清華大學教授、中科院院士歐陽明高發表了題為《動力電池安全防控的研究進展》的報告,介紹了他的團隊在鋰離子動力電池安全性研究方面的進展,人們欣喜的看到,歐陽明高團隊成功破解了鋰離子動力電池燃燒的機理,為解決電動汽車安全問題帶來了希望。

據歐陽明高介紹,清華大學電池安全實驗室經過多層面研究,發現引起鋰離子動力電池燃燒的主要原因是電池熱失控,發現了不同于傳統熱失控機理的鋰離子動力電池的三種新的熱失控機理,包括:負極析活性鋰、電池內短路、正極釋活性氧。通過對2018年新能源汽車火災事故的統計分析發現,電動汽車在充電時發生事故占比最多,達到29%,行駛和靜置停放過程中發生的自燃各占14%,涉水引發的事故占10%,另有33%原因不明。而這三種熱失控機理可以解釋上述超過99%的電池熱失控事故原因。

新能源汽車的致命隱患是安全

6月17日,工信部發布了《關于開展新能源汽車安全隱患排查工作的通知》,要求各新能源汽車生產企業對本公司生產的新能源汽車開展安全隱患排查工作。這是繼2016年初,工信部暫停三元鋰電池客車列入新能源汽車推廣應用車型目錄、2016年11月《關于進一步做好新能源汽車推廣應用安全監管工作的通知》、

2018年8月《關于開展新能源客車安全隱患專項排查工作的通知》、2018年09月25日《關于開展新能源乘用車、載貨汽車安全隱患 專項排查工作的通知》以來,工信部下發的第四份關于新能源汽車安全隱患排查的通知。警告對象從配裝三元鋰電池的大客車擴展到小客車,表明三元鋰電池的安全技術一直未能突破,新能源汽車的安全問題趨于嚴重,到了政府不肯容忍、社會不能漠視的程度。這幾份《通知》有的側重于要求提高車輛的密封防水性能、強化阻燃材料、提高防火性能、延長起火后乘客的撤離時間。有的詳細列出了要求企業檢查的動力電池的外觀、軟件、氣密性等內容。但對于鋰離子動力電池為什么會發生火災、什么原因引起的火災卻沒有說明。實際上,無論是作為主管的政府部門,還是作為安全第一責任人的新能源汽車生產企業、專業動力電池生產企業,一直都在尋找這個問題的科學答案。

電池熱失控是新能源汽車安全事故的罪魁

據國家市場監管總局掌握的輿情信息,2018年至今一年半時間內,全國發生了80余起電動汽車火災事故,平均7天一起,實在有點觸目驚心。經過對這些事故的分析研究,歐陽明高團隊發現,電動汽車在充電時發生火災事故的比例最高,而不當快速充電引發電池析鋰,導致電池壽命快速衰減和熱穩定性變差又是主因。通過電池析鋰測試、仿真與安全快充技術試驗,該團隊發現了鋰離子動力電池快充后熱失控的機理——負極析活性鋰,揭示了電池充電過程負極表面鋰析出與重新嵌入機理,并據此設計出鋰析出與重新嵌入機制的動力電池析鋰仿真模型,模擬出充電析鋰后電池靜置過程中的電壓平臺,開發出動力電池充電析鋰無損檢測方法,推導出不析鋰最優充電電流,實現了快速標定電池無析鋰安全快充MAP。

內短路是電池熱失控的共性環節

歐陽明高課題組通過實驗發現,機械濫用對電池形成的擠壓、穿刺,電濫用對電池形成的過沖、過放,熱濫用形成的電池過熱,都可以導致電池隔膜的損壞,使電池發生內短路,導致電池熱失控,冒煙、起火、爆炸。通過充電析鋰發現,不斷生長的鋰枝晶刺穿隔膜造成的內短路是威脅電池使用安全的大敵。2013年,波音787飛機電池系統系列起火事故、2016年三星Galaxy Note7系列電池起火事故,都是電池內短路造成的。

歐陽明高團隊將特制的具有尖刺結構的記憶合金內短路觸發元件植入電池內部,升溫使尖刺結構翹起并刺穿隔膜,成功模擬出內短路過程。內短路模擬測試方法入選中國電力企業聯合會標準T/CEC 169-2018——《電力儲能用鋰離子電池內短路測試方法》?;谶@一方法開展的自引發內短路問題研究,取得了對由內短路引發的熱失控實現提前預警和檢測的成果。

正極釋放活性氧導致電池熱失控

歐陽明高團隊還進行了鋰離子動力電池熱失控發生機理——正極釋放活性氧的研究,發現沒有內短路的電池也會發生熱失控,建立了基于組分材料反應動力學特性的單體動力電池熱失控建模仿真模型,在統計多種電池材料體系的高溫熱化學機理的基礎上提出了電池熱失控特性系列改進方法。

在對電池系統熱蔓延測試、仿真與抑制技術的研究中,歐陽明高團隊基于模型的動力電池系統熱失控蔓延抑制技術——隔熱設計和散熱設計,對于熱穩定性最差的電池體系,發明了隔熱與快速冷卻相結合的“防火墻”技術。該成果技術支持電動汽車安全全球技術法規工作組EVS-GTR-TF5:模型分析結果為制定國際熱失控擴展法規提供了可行方案,完成了方案的可行性驗證工作,為法規第一階段寫入中國方案做出了貢獻;國家《電動客車安全技術條件》《電動汽車用鋰離子動力電池包和系統:試驗方法與安全要求(草案)》繼續沿用EVS-GTR中的方案。

清華大學鋰離子動力電池安全防控技術研究成果已經應用于國內外主流新能源汽車生產企業和電池生產企業,向戴姆勒-奔馳公司、韓國三星SDI公司、SKI公司許可知識產權,向國內企業轉讓了知識產權。研究結果支撐了國家《電動汽車用鋰離子動力電池包和系統:試驗方法與安全要求》的制定并參與國際標準制定。

目前,清華大學的鋰離子動力電池安全防控技術研究還在不間斷地進行中,歐陽明高希望通過三五年的持續努力,實現這一關鍵技術的全面突破。

(來源:電車資源EV江湖 沈哥聊車事)

本文由電車資源【EV江湖】作者撰寫,觀點僅代表個人,不代表電車資源。

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