中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：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(zhǎng)就說(shuō)過(guò)鋰電的安全性會(huì)影響市場(chǎng)命運(yùn)，現(xiàn)在看來(lái)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(kāi)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(guó)內(nèi)的知名品牌都有，只是我們國(guó)家的召回制度不是很健全，所以火的問(wèn)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(lái)看最貴的“火”就是右下角，是最著名的片子，在一次國(guó)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(chē)，還有右上角在運(yùn)輸過(guò)程當(dāng)中的著火還有很多類(lèi)似左上角車(chē)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(guó)內(nèi)維持至少每個(gè)月有一輛公交車(chē)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(guó)有非常多，這些例子大家都知道，鋰電池的相關(guān)專(zhuān)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(píng)估，現(xiàn)在專(zhuān)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(lái)看，全世界對(duì)于鋰電安全性的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)有很多，有UL的，有各個(gè)電工協(xié)會(huì)，汽車(chē)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(shuō)UL，大家知道全世界安全性檢測(cè)的機(jī)構(gòu)，他會(huì)告訴你鋰電的安全性通過(guò)UL的檢驗(yàn)，不保證你不出問(wèn)題，這就變成了安全性的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，有用嗎？你說(shuō)沒(méi)用又有，但是你說(shuō)有用好像又沒(méi)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(méi)有用？如果有用的話(huà)今天我們電動(dòng)車(chē)就不會(huì)出問(wèn)題了，這個(gè)是事實(shí)。為什么是這樣呢？現(xiàn)在來(lái)講另一個(gè)現(xiàn)象，就是通過(guò)安全性測(cè)試的鋰電池不保證安全，全世界誰(shuí)都保證不了，當(dāng)然從科學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，是非常好的素材，就是因?yàn)橛袉?wèn)題，我們才需要做科研，這個(gè)非常多了，從聯(lián)合國(guó)開(kāi)始，包括國(guó)內(nèi)也是很多很多的標(biāo)準(zhǔn)。
幅度的提高，提高到百萬(wàn)分之一，幾十萬(wàn)分之一，其實(shí)概率是電池廠(chǎng)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(chē)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(wèn)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(guò)程當(dāng)中是誰(shuí)也不會(huì)燒的，誰(shuí)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(cè)是濫用安全性檢測(cè)，所以濫用安全性檢測(cè)安全不安全，跟實(shí)際情況沒(méi)有關(guān)系，這就是造成這些安全性的標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)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(chǎng)安全性，這么多年我研究覺(jué)得別扭，有一天課題組的老師說(shuō)就想起來(lái)叫自引發(fā)熱失控，現(xiàn)在有很多人都開(kāi)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(cè)的，一針扎下去肯定要著火，這對(duì)每個(gè)電池是適用的，而且通過(guò)測(cè)試評(píng)估的，你扎下去著火就是不通過(guò)，扎下去冒煙就是叫冒煙，所以是可以控制的，通過(guò)保護(hù)措施進(jìn)行改善，你說(shuō)扎一下可以著火，如果防護(hù)一下就扎不到了，對(duì)于這種自引發(fā)的熱失控就比較難了，不可預(yù)測(cè)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(kāi)始做的時(shí)候根本沒(méi)有著火，現(xiàn)在起來(lái)以后肯定要著火，肯定會(huì)著火的，所以是概率事故，而且無(wú)法通過(guò)測(cè)試來(lái)評(píng)估，就目前的技術(shù)，將來(lái)可能是可以這是測(cè)驗(yàn)工作者的責(zé)任，目前的技術(shù)是不可能通過(guò)測(cè)試來(lái)評(píng)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(chē)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(cè)試方法和今天依然會(huì)發(fā)生安全性事故之間，是沒(méi)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(méi)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(guò)安全性認(rèn)證的，對(duì)于筆記本電腦的18650電池來(lái)說(shuō)，目前是幾百萬(wàn)分之一，或者是千萬(wàn)分之一的概率，而且發(fā)生的原因是基本上不可預(yù)測(cè)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(chǎng)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(shuō)目前濫用安全性標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試機(jī)構(gòu)，發(fā)生或者不發(fā)生安全性事故之間沒(méi)有嚴(yán)格的邏輯關(guān)系，這個(gè)是最難的地方。
我們來(lái)看看舉個(gè)例子，為什么會(huì)發(fā)生？比如說(shuō)一個(gè)現(xiàn)象，我們都知道鋰電池在放電的過(guò)程有極片的膨脹收縮，比如說(shuō)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(lái)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(wàn)分之一，千萬(wàn)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(lái)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(guó)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(wèn)題，還有一些電池做過(guò)測(cè)試，振動(dòng)過(guò)程當(dāng)中邊緣碰撞的問(wèn)題非常多，這些問(wèn)題一般是兩大類(lèi)。一類(lèi)是制造水平，另外是工藝水平，所以說(shuō)有一些早期的投資據(jù)說(shuō)500萬(wàn)做鋰電池廠(chǎng)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(lái)看看內(nèi)短路，大家說(shuō)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(wèn)題更嚴(yán)重的多，對(duì)于外短路來(lái)說(shuō)，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(lái)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(méi)有事兒了，燒不掉就著火了，所以說(shuō)是不一樣的。外短路模擬內(nèi)短路是不可以的，所以我們來(lái)總結(jié)一下。
我們來(lái)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(cè)試評(píng)估目前是研發(fā)的非常前沿，我能不能把內(nèi)短路測(cè)試出來(lái)？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(guò)來(lái)，2年的實(shí)驗(yàn)都沒(méi)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(cè)試出來(lái)？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(cè)試評(píng)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(cè)試？我們做了很多的工作，發(fā)了很多的文章和專(zhuān)利，專(zhuān)利已經(jīng)公開(kāi)了大家感興趣可以去搜索。
還有的就是能否評(píng)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(chē)公司和手機(jī)公司拿著電池來(lái)找我，要做評(píng)估。假如說(shuō)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?。窟@個(gè)是很重要的，就是怎么樣評(píng)估呢？評(píng)估的東西有沒(méi)有科學(xué)依據(jù)？
如果能評(píng)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(méi)有科學(xué)依據(jù)，制造瑕疵怎么來(lái)評(píng)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(guò)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(guò)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(duì)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(huà)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(lái)看看這些各種材料里面對(duì)熱的貢獻(xiàn)是什么？比如說(shuō)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(cè)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(lái)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(duì)于動(dòng)力電池幾乎就沒(méi)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(méi)有意義了電池很快沖過(guò)溫度區(qū)域，使整個(gè)隔膜崩潰，所以這個(gè)是沒(méi)有用的，當(dāng)然如果隔膜在較高的溫度下扛住較長(zhǎng)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(huà)，三元材料可以做到。8
還有散熱大家都知道很簡(jiǎn)單了，散不出去熱，這個(gè)電池一定要出問(wèn)題的，我們做了相關(guān)的研究，熱失控的過(guò)程，能夠定量地來(lái)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(jiǎn)單說(shuō)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(guò)400度，但是有一些現(xiàn)象會(huì)有1500-1600度的溫度，在車(chē)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(guò)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(lái)是什么什么放熱，我們通過(guò)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(shuō)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(lái)關(guān)心和支持，加大研發(fā)力度，把安全性的問(wèn)題一步一步地解決。任何問(wèn)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(wèn)題，加大研發(fā)力度解決這個(gè)問(wèn)題。包括熱失控的控制，隨著技術(shù)的進(jìn)步，我想將來(lái)總有一天能控制住，我們期待這一天，謝謝大家！
主持人提問(wèn)：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(duì)熱失控有沒(méi)有更高的要求，或者是更強(qiáng)的趨勢(shì)？
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(lái)說(shuō)，對(duì)于體積沒(méi)有比較明顯的限制，跟電池的安全性之間是沒(méi)有必然的聯(lián)系，不是說(shuō)能量高安全性就差，這個(gè)是沒(méi)有關(guān)系的。其實(shí)電池的安全性我們對(duì)很多電池做過(guò)評(píng)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(méi)有關(guān)系，跟什么有關(guān)系知道嗎？跟廠(chǎng)家有關(guān)系，確實(shí)是這樣的，就是我們發(fā)現(xiàn)有一些廠(chǎng)家做的三元材料會(huì)比另外一些廠(chǎng)家做的還要安全，實(shí)際是跟廠(chǎng)家有關(guān)系的，這是一個(gè)問(wèn)題。
我覺(jué)得快充是現(xiàn)有的技術(shù)非常難以解決壽命的問(wèn)題，最近我也是對(duì)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(wèn)題，我一直沒(méi)有去，沒(méi)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^(guò)評(píng)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(zhuān)業(yè)才能檢測(cè)出來(lái)，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(cè)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(jué)得沒(méi)有問(wèn)題，其實(shí)我發(fā)現(xiàn)在1C的時(shí)候就可以檢測(cè)出隱患，所以我要告訴三星的話(huà)就不會(huì)出事兒，所以快充對(duì)壽命安全性極大的隱患，從我的知識(shí)來(lái)看目前這個(gè)問(wèn)題很難解決。
