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清华大学何向明:如何避免/控制电池的热失控?

电动汽车资源网2018-05-15 12:26:42

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电动汽车资源网讯:

12月21~23日,2016第三届中国新能源汽车总工技术峰会暨第二届运营商与车企对接采购交流会在深圳中海凯骊酒店盛大召开,大会由电动汽车资源网、中国新能源汽车总工技术峰会组委会主办,以“后补贴时代技术创新发展思路”为主题。

22日下午,大会围绕“动力电池技术创新及安全”邀请主机厂、核心零部件企业等领域精英参会交流。江苏华东锂电技术研究院院长、清华大学锂离子电池实验室主任何向明发表了题为“锂离子电池安全性”的主题演讲。

电动汽车资源网整理何向明演讲的主要内容如下:

电池安全性标准是否有用?

何向明表示,在目前,全世界有很多的锂电池安全标准,但实际上,在严格的检测验证,符合安全标准的动力电池仍然不能保证其安全性。

为什么安全性测试无法保障动力电池的安全?何向明表示,锂离子电池安全性分为滥用安全性和现场安全性。所谓的滥用安全性是指机械的问题,如:挤压、针刺、短路、过充、过热、热箱、火烧等;现场性安全性则是由制造瑕疵引起,如:连接问题、隔膜损坏、粉尘等,这些问题随机发生,引起内短路,从而引起过热与热失控

从安全的角度来看,滥用安全性是可预测的,对每一个电池可以通过测试进行评估,发生过程较长,可以通过保护措施进行改善;但自引发安全性是不可预测的,随机小概率发生,无法通过测试进行评估,也不能通过质量管理完全消除。目前,所有的安全性措施,均不能完全消除锂离子电池安全隐患。

锂离子电池安全性现实情况是,发生安全事故的锂离子电池,之前均通过安全认证。对于笔记本电脑电池而言,发生概率在几百万分之一; 如果按电池容量做事故几率简单放大计算:18650电池的事故统计概率—~千万分之一,单只电池能量:9.2Wh;20KWh、100KWh电池组安全事故几率:2.2/10000和1.1/1000;实际情况一定远高于此数, 发生原因基本上是不可预测的内短路所造成,而这种内短路无法完全消除,引起安全事故的电池在制造时,均是合格品。

在动力电池领域,大电池(组)的散热远较小电池(单只)困难;动力电池管理系统更为复杂,其有效性和可靠性降低;动力电池的使用环境更恶劣(高低温、震动、碰撞);动力电池要求的使用寿命长,在生命周期的中尾期问题更严重。

简而言之,滥用安全性标准的测试结果,与发生或者不发生安全性事故,之间没有“科学”联系。

内短路引发自引发热失控

短路上的安全性,到目前看来有那么多的因素。从制造过程当中的瑕疵,应用过程中的瑕疵,设计过程中的瑕疵,以及一些不正当的应用,原因很多。与均匀发热的外短路不同的是,内短路是局部点的高温。

内短路如何引发热失控?

内短路风险评估主要包括:低温析锂、负极金属沉积、充电析锂、数据加权、微短路,以及热稳定。其中最主要的是低温充电的情况下,是否会析锂,即使肉眼都发现不了的微小的金属污染物都能导致内部短路。

正极金属污染物---化学内部短路:铁、铬、镍、铜、锌等,即使肉眼都发现不了的微小的金属污染物都能导致内部短路,污染物在电池充电时在正极被氧化,变成离子进入溶液,在电场作用下移动到负极,并在负极表面得到电子被还原成金属,不断地长大,刺穿隔膜,形成短路,表现为严重自放电,或者热失控。

正极金属污染物实验验证:在电池内部放入不锈钢粉,结果不锈钢粉在正极表面,充放电时溶解到电解液中,并在负极表面析出。

导致金属异物进入锂电子里面的可能性有很多,干燥气封口发现的不锈钢颗粒、空调风管镀锌,有水分时会导致Zn脱落、门的来回移动导致合页产生金属粉尘、闭门器会导致不锈钢粉、移动的开关会产生不锈钢粉尘、柜子的磁吸会产生金属粉尘、桌角与角铁碰撞会产生金属粉尘、生产设备被磨损的金属等,都可能会通过空气传递到电池制造中。因此,要把电池做好,生产环境的质量控制需要非常严格。

判断一个电池好还是不好,最直观的方式就是拆开看隔膜,如果没有任何污点,那么这样的电池比拆开以后存在很多污点的电池要好很多。

每一款电池充电过程,存在一个析锂边界条件(温度、电流、电压),在不同温度、不同倍率下,充电的电流的边界条件,高于边界条件是很危险的。实际上,动力电池企业对于这些问题非常清楚,但在实际生产的过程中,很多世界一线品牌的厂家都会忽略这些问题,造成极大的安全隐患。

除此以外,何向明表示,目前国内的电池隔膜有一个瑕疵,而且是严重的瑕疵。如果在正负极期间有一块阻抗非常大的,阻抗大的时候,锂电池从正极切向负极的时候就会形成一个点,多出来的锂离子会析出,国产隔膜里面是会出现这种情况的,如果是由于点的孔不好,或者是孔位堵了,这就是隔膜摩擦造成的隐患。

此外,电池在充放电过程当中正极负极有沉积效应,沉积效应循环一定程度之后就会造成短路,电池就会爆炸。很多电池的事故,何向明认为可能都是这种原因,因此在电池设计的时候,一定要考虑这个因素。

如何避免/控制电池的热失控?

确定热失控过程的一些关键参数,建立与热失控的演变过程之间的“科学” 联系。

热失控演变过程

同时,何向明还表示,电池能量越高越不安全,这样的说法没有科学依据。他表示,电池的热稳定性的安全性和生产企业有关,和材料无关。“换句话说,有的企业的三元材料的电池比有些企业磷酸铁里面的电池还要安全很多,我这个说法是有数据的,只不过我跟人家签了保密协议,不好公开说。”

 

热失控根本原因是电池热失控过程为“链式”放热反应,解决方案即减少放热,切断“链式”放热反应。应对策略包括:减少内部化学反应放热量、减少内部化学反应放热量、提高化学反应发生的温度、降低电池温度升高的速率、增强电池对外散热等。通过这些措施,将链式方面的路径改变,电池就可以做得比较安全。(来源:电动汽车资源网)





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