欧阳明高:改进正极材料和电池包可有效抑制热

基于第三个机理,也就是高镍出现之后失氧温度下降,核心要从单体电池设计尤其热设计着手,新一代电解液添加剂等等。新一代811失氧温度降低、热释放速率大幅度提升,热失控最高温度也大幅度提升。我们在学校大容量电池热失控实验都不敢叫学生做。

对于热失控的蔓延及抑制方法,欧阳明高团队通过温度场的测试发现,并联电池组的蔓延过程是一节一节的,当第一个电池热失控之后发生短路,所有的电都会往第一节电池这边来,所以造成电池组电压下降,一旦断开后电压又回去了,这就是并联热失控的特征。而串联电池组热失控刚开始是有序的蔓延,最后是剧烈蔓延,不仅仅是传热,还会引发爆炸、燃烧等事故发生。

另外是电池的内短路与电池管理问题。内短路要通过电池管理手段提前预防,电池管理还有很多技术都会对整个电池内短路的诱因方面进行最好的预防,电池管理系统要升级为新一代以安全为核心的电池管理。

针对内短路问题,欧阳明高表示,目前碰撞类的机械方式,充电过充、枝晶析锂、枝晶刺破隔膜,过热导致隔膜崩溃等都会诱发内短路,其中内短路的程度不一样、演变的过程不一样,但最后都会导致隔膜崩溃和熔化。隔膜的熔化会导致内短路,从升温开始到隔膜崩溃就会形成T2,直接引发热失控,他也认为,这是一种较为普遍的原因。

基于上述分析,欧阳明高认为,锂离子动力电池热失控的主动防控可以基本解决电池安全问题,并不是不可解决的。

针对以上三种机理,欧阳明高介绍了其团队在机理方面及热失控控制方面的研究进展:第一,内短路和控制内短路的方法,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,最终还可以通过抑制热蔓延来防止安全事故的发生。

从轿车角度来看,体积能量密度比重量能量密度更加重要,锂离子电池在体积能量密度是具有优势的,其他的高比能量电池在这方面无法和锂离子电池竞争。

在析锂和充电控制方面,欧阳明高表示,全生命周期安全性中最主要的影响因素就是析锂,如果没有析锂衰减,电池安全性并不会变差。同样是析锂,析锂的多、少导致的结果明显不一样,析锂多的放热量大,析出锂会直接跟电解液发生剧烈反应,引发大量温升,将直接诱发热失控。

通过研究,欧阳明高团队发现了高比能量动力电池三种主要热失控机理,第一种是负极析活性锂,就是快充或者过充引起的。第二种是隔膜刺穿导致内短路引发热失控。第三种是高比能量电池正级析释活性氧,析氧密度随着比能量提升在不断下降。

据欧阳明高介绍,清华大学新能源动力系统课题组作为国家新能源汽车重点专项主要的研发团队之一,及中美清洁能源汽车合作中方的牵头团队,目前的研究方向主要集中在动力电池、燃料电池和混合动力三个方面。

如果这些问题还不能预防,就是系统级的防控,即防热失控蔓延,这就是热蔓延与热管理,通过散热、隔热相结合的手段来解决。

一直以来,动力电池安全对于现代出行来说都是非常重要的一个因素。目前,全球动力电池业、电动汽车业、可再生能源汽车业都处在快速发展的关键时期,因此,动力电池的安全问题以及安全风险控制也成为当前全球关注的要点。

“新能源汽车发展十年来,恰逢锂离子电池能量密度从100Wh/kg提升到300Wh/kg,价格从5块降低到现在最低0.8元,实现了蓄电池领域百年来革命性突破。”

在10月8日的研讨会上,欧阳明高院士对热失控和热蔓延的控制研究进展作了详细介绍。

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关于主要的内短路类型,欧阳明高认为,有些内短路可以立即引发热失控,但是有些内短路是缓慢演变的;有些内短路可能不危险,但有些内短路在演变之后会很危险;有一些内短路是一直缓变,还有一些内短路从缓变到突变…… 他表示,对于演变型内短路的演变规律,第一个过程主要是电压下降,而到第二个过程才会有温升,最后形成热失控。

基于上述阐释,欧阳明高表示,对锂离子动力电池在车用和储能两大领域的前景充满信心,并认为会超出预期。中国可能会提前几年达到今天发布的博鳌共识中的目标,即2035年全球新能源汽车达到年度新车销量的一半。

研究发现,通过简化的P2D模型,可推导出不析锂的充电曲线,如保持负极电势始终不低于零,便可得到无析锂的最佳充电曲线。并通过三电极标定这条曲线,利用这个算法可实现不析锂,但他强调这只是一个标定过程,随着时间的延长,电池的衰减性能还是会发生改变。

针对第一种机理和第二种机理主要是预防诱因,就是电池充电析锂与快充控制。其与日产在充电的算法上有合作,通过大量实验数据支撑,并考虑各种各样的情况,避免了很多热失控问题,所以到聆风的是卖最多一款电动车,但安全事故非常少。

欧阳明高表示,大量实验研究表明,电池热失控具有三个特征温度,分别为:自生热起始温度T1、热失控引发温度T2、热失控最高温度T3。欧阳明高指出,“为什么由一个缓慢的升热会突然引发急剧的升热,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”。通过对T2的探究发现,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。

基于上述多重趋势,欧阳明高乐观判断,预计到2025年,全球锂离子动力电池产量将达到10亿KWh,同时,预计到2027年,中国锂离子动力电池产量将达到10亿KWh。

欧阳明高表示,实验中即使将电解液去掉,电池依然会发生热失控。正极和负极结合的时候,负极被氧化,正极释氧与负极反应剧烈放热,因此可以将重点放在正极材料和电解质方面,进而改变热失控的特性。未来除固态电解质外,电解液的添加剂、高浓度电解质、新型电解质对解决热失控问题都将有更大的提升空间。

值得注意的是,电池热失控既是影响电动汽车可持续发展的生命线,也是市场竞争和品牌塑造的一个主旋律。新一代电动汽车不是靠动力性,而是要靠安全性。谁安全可靠,让用户放心,谁将来才能赢得客户。

因此,欧阳明高强调电池包的设计尤为重要,按照仿真参数标定的模型可进行隔热设计。而电池只隔热还远远不够,同时还要配合散热设计,通过隔热将传热挡住,通过散热将能量带走。实验过程中,在同样的测试条件下,带防火墙的电池包相较于传统电池包,没有燃烧,也没有热蔓延。

欧阳明高认为,锂电池有望成为车用电池主流技术。伴随着比能量的提高出现了一个问题就是安全性,目前主要且紧迫任务就是如何把安全的平衡点提升到300Wh/kg的能量密度。

目前,电池仍是电化学能源储存系统、特别是电动汽车当中最重要的组成部分。全球电池的产量也已经在2018年超过了106GWH,其中60%的产量来自中国。同时,在高能密度锂离子电池的发展方面上中国也位居前列。目前三元单体电芯已经实现300Wh/kg,到2020年电池组能量密度可以达到200Wh/kg。但是电化学特别是高电能可能会存在相应的热失控风险,也在一定程度上降低了电动汽车的市场接受度。相信在全球各国专家、学者的共同努力下,将会很快找到电池安全事件的机理,并找到一系列措施来有效解决电池安全问题。

根据《节能与新能源汽车技术路线》中的新能源汽车技术路线图,2030年的目标就是45-50%,参照这个预估,再加上最近宝马丰田对于电动化目标的提前,同时按照储能市场大规模爆发,可再生能源价格已经跟煤电相比。此外还有电动船舶等其它交通工具的全面电动化趋势。

他同时表示,没有内短路仍可能会有热失控的情况。随着隔膜性能的不断增强、正极三元材料镍含量不断提高、释氧温度不断下降,正极材料热稳定性也会随之降低,薄弱环节反而会向正极材料转移。这也需要正极材料企业和电池制造企业加以关注。

2019世界新能源汽车大会上,中国科学院院士、清华大学欧阳明高教授在题为“面向2035的中国新能源汽车技术路线展望”的主旨演讲中,对于锂电池在汽车电动化中的角色、锂电池安全问题的解决以及未来几年的锂电池市场需求趋势做了详细阐述。

在日前举办的“第三届国际电池安全研讨会(2019IBSW)”上,与会各方就电池热失控机-电-热诱因及防控方法、电池热失控发生机理与抑制方法、电池燃烧爆炸特性及火灾安全、电池系统热失控蔓延与热管理、电池析锂与快充安全、固态电池安全性问题等内容进行了深入的探讨和交流。

在安全方面,安全事故应该说是当前新能源汽车发展的致命隐患,必须尽快解决。欧阳明高表示,安全事故的本质是电池的热失控,有机械原因、电的原因、热的原因等等,单体电池上出现的热失控之后不是致命的,关键是会引发整个电池系统热失控蔓延,从而形成事故。

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