歐陽明高團(tuán)隊(duì)破解鋰離子動(dòng)力電池燃燒機(jī)理

進(jìn)入夏季以來，接連發(fā)生了多起電動(dòng)汽車火災(zāi)事故，引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注和憂慮，新能源汽車為什么火災(zāi)頻發(fā)?是什么原因引起的火災(zāi)?能不能控制?能不能預(yù)防?

6月23日，在中國電動(dòng)汽車百人會(huì)青海論壇上，清華大學(xué)教授、中科院院士歐陽明高發(fā)表了題為《動(dòng)力電池安全防控的研究進(jìn)展》的報(bào)告，介紹了他的團(tuán)隊(duì)在鋰離子動(dòng)力電池安全性研究方面的進(jìn)展，人們欣喜的看到，歐陽明高團(tuán)隊(duì)成功破解了鋰離子動(dòng)力電池燃燒的機(jī)理，為解決電動(dòng)汽車安全問題帶來了希望。

據(jù)歐陽明高介紹，清華大學(xué)電池安全實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過多層面研究，發(fā)現(xiàn)引起鋰離子動(dòng)力電池燃燒的主要原因是電池?zé)崾Э?，發(fā)現(xiàn)了不同于傳統(tǒng)熱失控機(jī)理的鋰離子動(dòng)力電池的三種新的熱失控機(jī)理，包括：負(fù)極析活性鋰、電池內(nèi)短路、正極釋活性氧。通過對2018年新能源汽車火災(zāi)事故的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車在充電時(shí)發(fā)生事故占比最多，達(dá)到29%，行駛和靜置停放過程中發(fā)生的自燃各占14%，涉水引發(fā)的事故占10%，另有33%原因不明。而這三種熱失控機(jī)理可以解釋上述超過99%的電池?zé)崾Э厥鹿试颉?/p>

新能源汽車的致命隱患是安全

6月17日，工信部發(fā)布了《關(guān)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(chǎn)企業(yè)對本公司生產(chǎn)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(yīng)用車型目錄、2016年11月《關(guān)于進(jìn)一步做好新能源汽車推廣應(yīng)用安全監(jiān)管工作的通知》、

2018年8月《關(guān)于開展新能源客車安全隱患專項(xiàng)排查工作的通知》、2018年09月25日《關(guān)于開展新能源乘用車、載貨汽車安全隱患 專項(xiàng)排查工作的通知》以來，工信部下發(fā)的第四份關(guān)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(kuò)展到小客車，表明三元鋰電池的安全技術(shù)一直未能突破，新能源汽車的安全問題趨于嚴(yán)重，到了政府不肯容忍、社會(huì)不能漠視的程度。這幾份《通知》有的側(cè)重于要求提高車輛的密封防水性能、強(qiáng)化阻燃材料、提高防火性能、延長起火后乘客的撤離時(shí)間。有的詳細(xì)列出了要求企業(yè)檢查的動(dòng)力電池的外觀、軟件、氣密性等內(nèi)容。但對于鋰離子動(dòng)力電池為什么會(huì)發(fā)生火災(zāi)、什么原因引起的火災(zāi)卻沒有說明。實(shí)際上，無論是作為主管的政府部門，還是作為安全第一責(zé)任人的新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)、專業(yè)動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)，一直都在尋找這個(gè)問題的科學(xué)答案。

電池?zé)崾Э厥切履茉雌嚢踩鹿实淖锟?/strong>

據(jù)國家市場監(jiān)管總局掌握的輿情信息，2018年至今一年半時(shí)間內(nèi)，全國發(fā)生了80余起電動(dòng)汽車火災(zāi)事故，平均7天一起，實(shí)在有點(diǎn)觸目驚心。經(jīng)過對這些事故的分析研究，歐陽明高團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車在充電時(shí)發(fā)生火災(zāi)事故的比例最高，而不當(dāng)快速充電引發(fā)電池析鋰，導(dǎo)致電池壽命快速衰減和熱穩(wěn)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(shù)試驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了鋰離子動(dòng)力電池快充后熱失控的機(jī)理——負(fù)極析活性鋰，揭示了電池充電過程負(fù)極表面鋰析出與重新嵌入機(jī)理，并據(jù)此設(shè)計(jì)出鋰析出與重新嵌入機(jī)制的動(dòng)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(fā)出動(dòng)力電池充電析鋰無損檢測方法，推導(dǎo)出不析鋰最優(yōu)充電電流，實(shí)現(xiàn)了快速標(biāo)定電池?zé)o析鋰安全快充MAP。

內(nèi)短路是電池?zé)崾Э氐墓残原h(huán)節(jié)

歐陽明高課題組通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)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(dǎo)致電池隔膜的損壞，使電池發(fā)生內(nèi)短路，導(dǎo)致電池?zé)崾Э?，冒煙、起火、爆炸。通過充電析鋰發(fā)現(xiàn)，不斷生長的鋰枝晶刺穿隔膜造成的內(nèi)短路是威脅電池使用安全的大敵。2013年，波音787飛機(jī)電池系統(tǒng)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(nèi)短路造成的。

歐陽明高團(tuán)隊(duì)將特制的具有尖刺結(jié)構(gòu)的記憶合金內(nèi)短路觸發(fā)元件植入電池內(nèi)部，升溫使尖刺結(jié)構(gòu)翹起并刺穿隔膜，成功模擬出內(nèi)短路過程。內(nèi)短路模擬測試方法入選中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)T/CEC 169-2018——《電力儲(chǔ)能用鋰離子電池內(nèi)短路測試方法》?；谶@一方法開展的自引發(fā)內(nèi)短路問題研究，取得了對由內(nèi)短路引發(fā)的熱失控實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警和檢測的成果。

正極釋放活性氧導(dǎo)致電池?zé)崾Э?/strong>

歐陽明高團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了鋰離子動(dòng)力電池?zé)崾Э匕l(fā)生機(jī)理——正極釋放活性氧的研究，發(fā)現(xiàn)沒有內(nèi)短路的電池也會(huì)發(fā)生熱失控，建立了基于組分材料反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性的單體動(dòng)力電池?zé)崾Э亟７抡婺Ｐ?，在統(tǒng)計(jì)多種電池材料體系的高溫?zé)峄瘜W(xué)機(jī)理的基礎(chǔ)上提出了電池?zé)崾Э靥匦韵盗懈倪M(jìn)方法。

在對電池系統(tǒng)熱蔓延測試、仿真與抑制技術(shù)的研究中，歐陽明高團(tuán)隊(duì)基于模型的動(dòng)力電池系統(tǒng)熱失控蔓延抑制技術(shù)——隔熱設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)，對于熱穩(wěn)定性最差的電池體系，發(fā)明了隔熱與快速冷卻相結(jié)合的“防火墻”技術(shù)。該成果技術(shù)支持電動(dòng)汽車安全全球技術(shù)法規(guī)工作組EVS-GTR-TF5：模型分析結(jié)果為制定國際熱失控?cái)U(kuò)展法規(guī)提供了可行方案，完成了方案的可行性驗(yàn)證工作，為法規(guī)第一階段寫入中國方案做出了貢獻(xiàn)；國家《電動(dòng)客車安全技術(shù)條件》《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池包和系統(tǒng)：試驗(yàn)方法與安全要求(草案)》繼續(xù)沿用EVS-GTR中的方案。

清華大學(xué)鋰離子動(dòng)力電池安全防控技術(shù)研究成果已經(jīng)應(yīng)用于國內(nèi)外主流新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)和電池生產(chǎn)企業(yè)，向戴姆勒-奔馳公司、韓國三星SDI公司、SKI公司許可知識產(chǎn)權(quán)，向國內(nèi)企業(yè)轉(zhuǎn)讓了知識產(chǎn)權(quán)。研究結(jié)果支撐了國家《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池包和系統(tǒng)：試驗(yàn)方法與安全要求》的制定并參與國際標(biāo)準(zhǔn)制定。

目前，清華大學(xué)的鋰離子動(dòng)力電池安全防控技術(shù)研究還在不間斷地進(jìn)行中，歐陽明高希望通過三五年的持續(xù)努力，實(shí)現(xiàn)這一關(guān)鍵技術(shù)的全面突破。

(來源：電車資源EV江湖 沈哥聊車事)

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