中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：今日下午的大會(huì)圍繞“動(dòng)力電池安全和梯次利用”這一主題進(jìn)行討論，華東鋰電技術(shù)研究院院長、清華大學(xué)教授何向明教授發(fā)表了題為“動(dòng)力電池安全性的若干問題”的演講。
華東鋰電技術(shù)研究院院長、清華大學(xué)教授何向明
電動(dòng)汽車資源網(wǎng)整理何向明教授演講內(nèi)容如下：
今天我跟大家分享一下我們多年來對安全性的研究，我的題目是鋰電池的安全性，鋰電安全性大家都非常關(guān)注，剛剛主持人講了鋰電池今年確實(shí)很火，每個(gè)城市都有“火”，所以大家都關(guān)心，最高層的領(lǐng)導(dǎo)也關(guān)心，所以鋰電池非常重要。
實(shí)際在08、09年的時(shí)候，能源部長就說過鋰電的安全性會(huì)影響市場命運(yùn)，現(xiàn)在看來確實(shí)是比較嚴(yán)重。三星最近的一個(gè)“火”，損失7億美元，實(shí)際在從06年開始，一把火值5~6億美元的例子已經(jīng)很多很多，所以這個(gè)火的價(jià)值還是非常高的。
這個(gè)只是局部的統(tǒng)計(jì)，包括我們好多國內(nèi)的知名品牌都有，只是我們國家的召回制度不是很健全，所以火的問題不是那么的嚴(yán)重，所以火還是要非常關(guān)心的，非常地貴。
我們來看最貴的“火”就是右下角，是最著名的片子，在一次國際會(huì)議上一個(gè)筆記本電腦著火了，差不多是5億美元的價(jià)值，還有很多像左上角的車，還有右上角在運(yùn)輸過程當(dāng)中的著火還有很多類似左上角車輛著火。
上面這個(gè)是最典型的一個(gè)案例， 2006年，從這個(gè)事故以后鋰電池就不允許用飛機(jī)運(yùn)輸了，現(xiàn)在都有很多的限制，大家應(yīng)該也都有所了解。
從2012年以后基本上我們國內(nèi)維持至少每個(gè)月有一輛公交車著火，這種情況基本是維持到現(xiàn)在，目前的狀態(tài)估計(jì)是每周都有，全國有非常多，這些例子大家都知道，鋰電池的相關(guān)專家最近半年為了各個(gè)政府去處置火災(zāi)，因?yàn)榛馂?zāi)出了以后大家都要去評估，現(xiàn)在專家都不夠用，火太多了。
還有一個(gè)著名的事件大家知道的，波音787著火，普銳思也著火等等。大家仔細(xì)想一想，關(guān)于鋰電安全性，什么是安全性呢？
實(shí)際上會(huì)有很多很多的回答，其中一個(gè)我們來看，全世界對于鋰電安全性的檢測標(biāo)準(zhǔn)有很多，有UL的，有各個(gè)電工協(xié)會(huì)，汽車協(xié)會(huì)等等。但是安全性的標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)特別特色的，就比如說UL，大家知道全世界安全性檢測的機(jī)構(gòu)，他會(huì)告訴你鋰電的安全性通過UL的檢驗(yàn)，不保證你不出問題，這就變成了安全性的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，有用嗎？你說沒用又有，但是你說有用好像又沒有。
為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況呢？這么多的安全性的標(biāo)準(zhǔn)，為什么會(huì)沒有用？如果有用的話今天我們電動(dòng)車就不會(huì)出問題了，這個(gè)是事實(shí)。為什么是這樣呢？現(xiàn)在來講另一個(gè)現(xiàn)象，就是通過安全性測試的鋰電池不保證安全，全世界誰都保證不了，當(dāng)然從科學(xué)的角度來說，是非常好的素材，就是因?yàn)橛袉栴}，我們才需要做科研，這個(gè)非常多了，從聯(lián)合國開始，包括國內(nèi)也是很多很多的標(biāo)準(zhǔn)。
我們來看看現(xiàn)在著火的，比如說像三星的NOTE7，最近我聽到大量的變化，大概我們國家工信部在下周會(huì)討論NOTE7的問題，討論NOTE7對國內(nèi)鋰電池的影響，以及我們國家的應(yīng)對策略。那么我們知道目前的18650就是用特斯拉的那款，出事故的概率是千萬分之一，所以大家算出來，特斯拉大概7千多個(gè)電池，千萬分之一，1萬輛車每年至少有一輛要著火，車在全世界各地，有在挪威著火的，有在中國著火的，有在日本著火的，這是一個(gè)概率事件，誰也消除不掉的。所以差不多是千萬分之一，實(shí)際如果電池大了以后這個(gè)比例會(huì)大幅度的提高，提高到百萬分之一，幾十萬分之一，其實(shí)概率是電池廠的檔次越高，你的制造水平越高這個(gè)概率會(huì)越小，當(dāng)然我們講的都是比較溫和的條件下，如果是在電動(dòng)車上，包括振動(dòng)等等很多情況下，這個(gè)概率會(huì)大幅度地提高，這是個(gè)安全性的問題。
那電池的安全性解決不掉了？電池還能不能用了？
我們看看什么是安全性？電池安全性是什么呢？在意義里面有一個(gè)詞，叫abuse，濫用熱失控，還有電的短路等等，還有熱的熱沖擊等等，大概基本上是這幾個(gè)，為什么是濫用呢？因?yàn)殡姵卦趯?shí)際應(yīng)用過程當(dāng)中是誰也不會(huì)燒的，誰也不會(huì)拿針扎的是非正常的使用。我們現(xiàn)在電池的檢測是濫用安全性檢測，所以濫用安全性檢測安全不安全，跟實(shí)際情況沒有關(guān)系，這就是造成這些安全性的標(biāo)準(zhǔn)沒有用的一個(gè)重要的原因。那么還有一個(gè)我們叫field failure現(xiàn)場安全性，這么多年我研究覺得別扭，有一天課題組的老師說就想起來叫自引發(fā)熱失控，現(xiàn)在有很多人都開始叫隨機(jī)的，都不知道什么時(shí)候發(fā)生。
我們看看這兩個(gè)都有什么特點(diǎn)呢？第一個(gè)特點(diǎn)就是濫用熱失控和濫用安全性是可以預(yù)測的，一針扎下去肯定要著火，這對每個(gè)電池是適用的，而且通過測試評估的，你扎下去著火就是不通過，扎下去冒煙就是叫冒煙，所以是可以控制的，通過保護(hù)措施進(jìn)行改善，你說扎一下可以著火，如果防護(hù)一下就扎不到了，對于這種自引發(fā)的熱失控就比較難了，不可預(yù)測的，這一點(diǎn)是非常討厭的，那么是一個(gè)隨機(jī)的小概率事故，是統(tǒng)計(jì)學(xué)的概念，特斯拉剛剛開始做的時(shí)候根本沒有著火，現(xiàn)在起來以后肯定要著火，肯定會(huì)著火的，所以是概率事故，而且無法通過測試來評估，就目前的技術(shù)，將來可能是可以這是測驗(yàn)工作者的責(zé)任，目前的技術(shù)是不可能通過測試來評估的。
發(fā)生的很突然，而且措施也不可以避免，這個(gè)是自引發(fā)熱失控的特點(diǎn)，我們今天看到車為什么會(huì)著火？這個(gè)就是主要的原因。其實(shí)我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)格的安全性測試方法和今天依然會(huì)發(fā)生安全性事故之間，是沒有任何的關(guān)系，這是一個(gè)非常討厭的事情，我們做任何事情有嚴(yán)格的邏輯關(guān)系就可以找到這個(gè)科學(xué)規(guī)律，去克服，然后去控制它，這個(gè)就是沒有關(guān)系又怎么辦呢？這是要解決的，我們要去找關(guān)系。所以現(xiàn)實(shí)情況就是發(fā)生安全性事故的鋰電池，之前都通過安全性認(rèn)證的，對于筆記本電腦的18650電池來說，目前是幾百萬分之一，或者是千萬分之一的概率，而且發(fā)生的原因是基本上不可預(yù)測的造成，導(dǎo)致的原因很多，但是基本上是內(nèi)短路造成的，而且這種內(nèi)短路是不可消除的，這些電池在制造出廠的時(shí)候都是合格的，都是一個(gè)好的合格的電池，會(huì)發(fā)生燃燒事故，所以我們說目前濫用安全性標(biāo)準(zhǔn)的測試機(jī)構(gòu)，發(fā)生或者不發(fā)生安全性事故之間沒有嚴(yán)格的邏輯關(guān)系，這個(gè)是最難的地方。
我們來看看舉個(gè)例子，為什么會(huì)發(fā)生？比如說一個(gè)現(xiàn)象，我們都知道鋰電池在放電的過程有極片的膨脹收縮，比如說200-300次以后產(chǎn)生收縮效應(yīng)，厚的隔膜一般是PC或者是PE的，會(huì)把隔膜擠破，看右下角的這個(gè)圖。
這個(gè)筆記本電腦，左上角的筆記本電腦著火后來大家判定就是這個(gè)原因，因?yàn)榇蠹页潆娔X160次會(huì)產(chǎn)生這種概率，但是不是所有的都有這樣的情況，這個(gè)是概率情況，是百萬分之一，千萬分之一概率的發(fā)生，剛剛講了一個(gè)，實(shí)際還有很多的原因。
這個(gè)圖是UL總結(jié)出來的，一個(gè)是這次的NOTE7，我查了所有的報(bào)道初步判斷，它是析鋰造成的，包括美國的兩起事故，因?yàn)橛幸粋€(gè)快充的功能，還有就是正負(fù)極匹配的問題，還有一些電池做過測試，振動(dòng)過程當(dāng)中邊緣碰撞的問題非常多，這些問題一般是兩大類。一類是制造水平，另外是工藝水平，所以說有一些早期的投資據(jù)說500萬做鋰電池廠的那些，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)電池著火，所以跟制造水平的關(guān)系是非常巨大的。
我們來看看內(nèi)短路，大家說內(nèi)短路是不是可以用外短路模擬??？外短路不燃燒爆炸內(nèi)短路是完全不一樣的，內(nèi)短路的問題更嚴(yán)重的多，對于外短路來說，這個(gè)電池是均勻的受熱，右邊的圖大家知道，內(nèi)短路是局部高溫受熱，這個(gè)局部高溫的受熱從我們的角度來看，有一些時(shí)候?qū)Π踩员韧舛搪芬?，為什么？局部短路的那一點(diǎn)，跟焊接的地方燒掉就沒有事兒了，燒不掉就著火了，所以說是不一樣的。外短路模擬內(nèi)短路是不可以的，所以我們來總結(jié)一下。
我們來看這個(gè)熱失控內(nèi)短路與安全性的研究，第一個(gè)內(nèi)短路的測試評估目前是研發(fā)的非常前沿，我能不能把內(nèi)短路測試出來？第一個(gè)我取樣，因?yàn)槭且粋€(gè)小概率事件，我記得2009年的時(shí)候我在學(xué)校做實(shí)驗(yàn)，找2000個(gè)電池過來，2年的實(shí)驗(yàn)都沒有內(nèi)短路，另外一個(gè)假設(shè)這個(gè)概率是有的，那你能不能測試出來？有一些什么特征？如果我們能找到特征是不是我們就可以往前邁一步？所以我們講內(nèi)短路的測試評估是一個(gè)安全性研究重要的方面。發(fā)生在熱失控之前是否有一個(gè)測試？我們做了很多的工作，發(fā)了很多的文章和專利，專利已經(jīng)公開了大家感興趣可以去搜索。
還有的就是能否評估電池發(fā)生內(nèi)短路的風(fēng)險(xiǎn)？什么意思呢？現(xiàn)在很多大的汽車公司和手機(jī)公司拿著電池來找我，要做評估。假如說我有4家的電池，到底哪一家風(fēng)險(xiǎn)最大？哪一家風(fēng)險(xiǎn)最??？這個(gè)是很重要的，就是怎么樣評估呢？評估的東西有沒有科學(xué)依據(jù)？
如果能評估就可以在制造和設(shè)計(jì)上盡量地規(guī)范，這個(gè)也是推論的，也沒有科學(xué)依據(jù)，制造瑕疵怎么來評估和規(guī)避？如何應(yīng)用？這些都是目前鋰電研究的深水區(qū)，全世界可能也就是一兩個(gè)科學(xué)家在做，大家感興趣可以看一看。
內(nèi)短路如何引發(fā)熱失控？這個(gè)是這幾年做的工作，待會(huì)兒跟大家分享一下，內(nèi)短路以后熱失控的過程怎么演變的？怎么控制？看能不能控制？是怎么研發(fā)的？是否可以控制？控制的原則是什么？用什么方法控制？這個(gè)研究確實(shí)是一個(gè)進(jìn)展，我們有一些工作也得到了社會(huì)的認(rèn)可。
我們看看，電池鋰電的熱失控這個(gè)圖片大家都看過了，應(yīng)該是比較熟的，如果右邊是溫度，隨著溫度的升高會(huì)有一系列的反應(yīng)，但是這些反應(yīng)只是定性的，對每個(gè)電池不一樣，要有精確的反應(yīng)，左邊看是放熱量，有不同的程度。當(dāng)放熱反應(yīng)的熱速率高于電池的熱速度時(shí)，電池內(nèi)壓就會(huì)上升，容易產(chǎn)生熱失控。
我們看看一些典型的放熱都有什么？SEM分解，其實(shí)SEM的分解熱量非常小，但是在早期發(fā)熱，現(xiàn)在SEM做的穩(wěn)定的已經(jīng)不是在早期另外最嚴(yán)重的就是正極的，充電鈷酸鋰，放出的氧氣和熱會(huì)把隔膜氧化等等，大概是這么一個(gè)早期的研究。也可以畫出那么一張圖，橫坐標(biāo)是溫度，縱坐標(biāo)是放熱，這里面有一個(gè)數(shù)值。
我們來看看這些各種材料里面對熱的貢獻(xiàn)是什么？比如說負(fù)極，負(fù)極我們發(fā)現(xiàn)它的放熱的量和速率其實(shí)都跟它的比較面積正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)它的比較面積小的時(shí)候放熱就小，放熱比較慢，所以我們認(rèn)為表面的反應(yīng)放熱是主要的，有可能是SEM分解，這個(gè)跟比較面積有關(guān)系，這個(gè)是負(fù)極。那么正極也是，這個(gè)已經(jīng)是證實(shí)了，正極做熱重的時(shí)候會(huì)發(fā)生失重，而且尾氣里面是可以檢測出氧氣的，電解液也會(huì)放出大量的熱，各種熱量，放熱量是非常大的，這些技術(shù)也是來判斷材料的安全性的主要的手段。我們也可以看到材料可以做出DSC，放熱速率等等，包括熱重，失重，失氧。
隔膜也很重要，這里我要講一個(gè)，大家最關(guān)心的隔膜的shutdown，對于動(dòng)力電池幾乎就沒有用，為什么呢？如果電池的溫度達(dá)到了shutdown的溫度的時(shí)候，你關(guān)不關(guān)機(jī)已經(jīng)沒有意義了電池很快沖過溫度區(qū)域，使整個(gè)隔膜崩潰，所以這個(gè)是沒有用的，當(dāng)然如果隔膜在較高的溫度下扛住較長的時(shí)間是有用的，包覆技術(shù)可以做的很好，從材料當(dāng)中把散熱材料做的很好的話，三元材料可以做到。
還有散熱大家都知道很簡單了，散不出去熱，這個(gè)電池一定要出問題的，我們做了相關(guān)的研究，熱失控的過程，能夠定量地來發(fā)現(xiàn)它，自放熱的起始溫度T1，也可以發(fā)現(xiàn)急劇上升的點(diǎn)T2，各種的參數(shù)不一樣，代表了電池?zé)岱€(wěn)定性量的概念。
我們簡單說化學(xué)反應(yīng)的放熱可以把電池溫度推到400度左右，電能推到另外的400度，所以一般的電池發(fā)熱的溫度都會(huì)超過400度，但是有一些現(xiàn)象會(huì)有1500-1600度的溫度，在車上把金屬燒化了，我們現(xiàn)在還搞不清楚什么原因，所以我們還可以發(fā)現(xiàn)在不同溫度下放熱的速率不同，速率越低應(yīng)該是穩(wěn)定，放熱速率越快安全性就會(huì)越差這個(gè)也是非常重要的。
所以有了這些過程我們就可以控制安全性，電池安全性就是它放熱溫度升高，引發(fā)新的放熱，再升高再放熱，再升高再放熱，我們叫它熱失控放熱的鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)，如果把這個(gè)鏈切斷，這個(gè)電池是不是就不發(fā)生熱失控了？這個(gè)是控制熱失控的基本的科學(xué)原理，我們就可以把每個(gè)放熱的解析出來是什么什么放熱，我們通過化學(xué)的方法把這些東西的放熱等等控制住，就可以了，比如說我們做的電池，我們用熱穩(wěn)定性的正極，聚合物添加劑，熱穩(wěn)定黏合劑，阻燃電解質(zhì)溶液等等，就可以達(dá)到電池的安全性。從化學(xué)的原理，減少內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)放熱量，降低化學(xué)反應(yīng)放熱速率，提高化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的溫度，降低電池溫度升高的速率這些都可以做到的。
回顧一下要解釋動(dòng)力電池的安全性，需要更多的同仁來關(guān)心和支持，加大研發(fā)力度，把安全性的問題一步一步地解決。任何問題只要我們做，哪怕是蝸牛爬也會(huì)到的，所以我希望大家都關(guān)心這個(gè)問題，加大研發(fā)力度解決這個(gè)問題。包括熱失控的控制，隨著技術(shù)的進(jìn)步，我想將來總有一天能控制住，我們期待這一天，謝謝大家！
主持人提問：高能量密度能增加里程，那從高能量密度這方面還有快充對熱失控有沒有更高的要求，或者是更強(qiáng)的趨勢？
何老師：18650體積非常大的情況下做高密度有很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)橐M(jìn)去的隔膜要很薄，但是動(dòng)力鋰電池來說，對于體積沒有比較明顯的限制，跟電池的安全性之間是沒有必然的聯(lián)系，不是說能量高安全性就差，這個(gè)是沒有關(guān)系的。其實(shí)電池的安全性我們對很多電池做過評估，最后發(fā)現(xiàn)的結(jié)論是電池的安全性和電池是什么材料做的沒有關(guān)系，跟什么有關(guān)系知道嗎？跟廠家有關(guān)系，確實(shí)是這樣的，就是我們發(fā)現(xiàn)有一些廠家做的三元材料會(huì)比另外一些廠家做的還要安全，實(shí)際是跟廠家有關(guān)系的，這是一個(gè)問題。
我覺得快充是現(xiàn)有的技術(shù)非常難以解決壽命的問題，最近我也是對這個(gè)很感興趣，三星很多年前就感興趣這個(gè)快充，去年他們跟我聯(lián)系，希望我去講講快充的問題，我一直沒有去，沒想到真的出事兒了，我要去講了我估計(jì)今天就不一定會(huì)出事兒。因?yàn)槲易鲞^評估，就是18650的動(dòng)力電池，知名品牌的動(dòng)力電池我們發(fā)現(xiàn)它的標(biāo)識(shí)4C充放電，我們發(fā)現(xiàn)1C的時(shí)候就有很大的概率檢出安全性隱患了，可能這些隱患要很專業(yè)才能檢測出來，可能你們平時(shí)不會(huì)發(fā)現(xiàn)，但是我這個(gè)發(fā)現(xiàn)很有價(jià)值。
最近華為希望我?guī)退麄儥z測電池的安全性，這個(gè)確實(shí)是不一樣的，這個(gè)超出我們的預(yù)想，4C的設(shè)計(jì)大家覺得沒有問題，其實(shí)我發(fā)現(xiàn)在1C的時(shí)候就可以檢測出隱患，所以我要告訴三星的話就不會(huì)出事兒，所以快充對壽命安全性極大的隱患，從我的知識(shí)來看目前這個(gè)問題很難解決。
