维基体育官方网站-欧阳明高院士:大容量电池中磷酸铁锂电池的燃爆指数是三元电池的两倍
发布时间2023-11-12

5月16日上午,第四届新能源汽车和动力电池(CIBF2023深圳)国际交换会在深圳国际会展中间(新馆)盛大揭幕。在年夜会揭幕式环节,本届年夜会主席、中国科学院院士欧阳明高做大旨讲话。以下是欧阳明高院士讲话现场速记。

欧阳明高院士:

尊重的列位同业,大师上午好!我今天给大师介绍一下清华新能源动力系统团队电池平安研究进展。

我们清华的团队大要分为3个板块,此中一个板块就是动力电池与电化学储能系统,别的有燃料电池、电解水制氢、氢储能、智能动力和聪明能源,我们也别离设立了4个中间。储能、氢能、智能三位一体。今上帝要介绍动力电池的一部门内容,就是关在电池热掉控与热舒展方面的研究。

图为年夜会主席、中国科学院院士欧阳明高着大旨讲话

起首介绍一下电池平安尝试室。这是清华年夜黉舍内的电池平安尝试室,大要十多年前成立了这个尝试室,此刻总人数跨越100人,包罗校本部和宜宾中间。这里有良多便宜装备,我们本身也开辟一些专用的装备,好比专门测试热掉控的燃烧弹,测试热掉控里面喷发的所有进程,传统没有专门的仪器,我们专门设计了这类仪器,此刻有良多厂家已采取。

我们的宜宾中间在四川,本地投资2亿元成立的电池平安尝试室,此刻一期已建成,正在建第二期。

宜宾基地也有多标准的表征和计较手段,应当说是全方位的。我常常说此刻科研就是一个靠“看”,一个靠“算”,有了这两个东西,我们便可以跨学科。不但多标准的都可以进行计较,也供给全部设计办事,从仿真设计到样品开辟,到测实验证,最后交出全部研发的样品。我们今朝构成了一个团队在做这个,包罗制造工艺,全财产链的经由过程智能化的设计开辟手段,我们都供给办事。

清华电池平安尝试室这些年来跟全球各年夜厂商在电池平安方面都有合作,首要的汽车厂、电池维基体育app登陆厂都有合作。大师知道此刻储能范畴电池平安比电动汽车潜伏隐患更严重,所以国度已设立了储能电池平安监控平台,我也是监控平台的专家委员会主任,我们也在跟国度市场监管总局在筹建结合研发中间,由于良多平安的查询拜访是我们在协助进行,同时在学术上,我们在电池热掉控这个范畴,在全球是发文量最年夜的一个课题组,我们在电池平安方面有3小我取得全球高被引科学家。

下面介绍一下电池平安尝试室重点做的工作,首要就是从电池热掉控的全进程,包罗它的诱因、热掉控的产生,和热掉控在全部电池包的舒展进程,这是我们重点做的,所以我们有三项手艺,从应对热掉控诱因,我们首要是自动平安手艺,热掉控产生方面是本征平安手艺,还热掉控舒展,我们采取的是被动平安手艺。

此刻我们也从电池平安慢慢成长到平安电池的开辟,本征平安我们此刻主攻硫化物的全固态电池,我们认为本征平安的终究方针是全固态电池,所以此刻我们有80人在做全固态电池。别的一个就是被动平安,我们此刻聚焦储能电站,储能电站对被动平安要求特殊高。自动平安方面我们正在开辟的是下一代的智能电池。

下面我从本征平安、自动平安和被动平安三个方面介绍一下我们的进展。

我们做电池平安是从被动平安起身的,本征平安由于触及到材料和化学比力多,所以我们是后上的本征平安。本征平安第一个功效是在2018年颁发的,也就是从阿谁时辰,我们最先热工、电工、化工材料的全方位学科交叉,所以此刻在我们电池平安尝试室有20个学材料的博士后,专门从事材料相干的工作。

这是我们最最先往材料交叉的一个功效,我们发现传统的电池一般认为是内短路致使的热掉控,但事实上我们发此刻高镍三元其实不是内短路致使的,我们发现是正极相变产氧,氧气串到负极猛烈氧化还原情况构成热掉控,我们第一次在《焦耳》上颁发文章,就注释了这么一个机理。在此根本上,我们5年来以811电池为代表的高镍电池全进程机理做了展现。对一个电池来说,热掉控的自掉热肇端温度T1到触发温度T2,到最高温度T3,这个进程事实是怎样构成的,我们发现起首是T1因为负极跟电解液反映生成还原性气体,还原性气体从负极窜到正极,进犯正极的晶格激发相变然后产氧,氧跟电解液里面的EC反映,所以引发温度上升,构成T2。T2中心有一部门是在征集跟电解液反映,还很年夜一部门就到了负极,窜到负极以后构成串扰反映,正负猛烈反映,构成T3。就是这么一个完全的进程。

针对这个进程我们开辟了一系列的热掉控的热按捺方式。好比说针对正极的掉氧,我们要提高正极的热不变性,就是正极包覆。然后正极跟电解液里面的EC反映,就要去失落EC,所以开辟了EC-free电解液。此刻国内有的厂家已最先利用我们的功效。

假如它要往负极串扰的话,它需要颠末隔阂,我们再把隔阂做成一个高平安的隔阂,避免它的串扰。固然我们不成能把全数串扰都阻遏,最后还一些到负极构成猛烈的反映,提高温度到T3,那我们怎样办?最后就是电解液里面的阻燃电解液添加剂,来按捺我们的最高温度T3,T3便可以经由过程这个体例下降跨越200度。固然这都是后期的,也就是T2到T3,现实上我们更主要,最新的发现是,光从T2到T3,这是只能经由过程设计,可是T1到T2这个时候是比力长的,所以T1到T2就是从本身的反映到热掉控产生时候,是比力慢的,这个时候我们可以进行调控,不但是进行设计。所以我们重点研究了T1到T2这个进程,这个热堆集进程,假如我们能把它打断,它就不会走到T2。到了T2就不成能调控了,只能经由过程我们适才说的那些设计的手段。

怎样可以或许把它打断?我们就要阐发它的机理,T1到T2这个环节我们发现还原气体进犯掉效的机制。大师看到我们各类材料热量释放的图,这是正负极加电解液在一块的,模拟现实的电池,可以看出在低温有一个产热风,我们发现这个产热风构成了年夜量的还原性气体,包罗了氢气、CH4、HF等等。这些气体到了正极以后,引诱了正极从成像到尖晶石的相变,我们找到了内部显现尖晶石相,层状布局后移等等证据,可是要阐发它为何会如许。

所以我们又进一步阐发,这些成分是良多的,事实是甚么成分在这中心起了要害感化,所以我们又专门对各类气体来进行阐发,例如说嵌锂负极在电解液受热的进程,产出下面这些气体,然后我们把这些气体再放到正极这边,正极放在分歧的还原气体中心,看那种发生的正极的热流量最年夜、发生得最早。

我们发现了一个纪律,我们针对性地对这些气体进行调控,就有了分歧的调控方案。可以电调控,也能够用毒化层把这些气体接收失落,也能够把气体排出去。这就是我们采取的几种方式。好比这是没有调控的,这是三种调控的,根基上都没产生热掉控。此中好比强迫排气,就要弄一个智能的排气阀,对电调控,假如有双向充电桩,便可以弄电调控,就是说要放点电。既可以充电,又可以放电,只要放电可以或许节制,便可以把这个问题解决,所以我们此刻重点成长这两种。固然毒化层首要是放在集流体上,这三种手艺我们都在成长,此刻的复合集流体我们可以放进去,也能够做智能的排气阀,也能够做电调控。这是关在高镍三元电池。

下面再说说磷酸铁锂电池。一般认为磷酸铁锂电池是比力平安的。素质上对小的磷酸铁锂电池简直是如许,可是年夜的容量,像320安时的电池,它的内部温度可以跨越800度,通常为三四百度,可是对年夜安时的电池可以跨越800度,这就跨越了磷酸铁锂正极分化的温度,在一般环境下正极磷酸铁锂对小安时是不分化的,所以热掉控不猛烈,可是年夜安时是可以的,并且它发生年夜量的可燃的电解液的蒸汽,这跟高镍三元是纷歧样的。

对小尺寸的电池,简直维基体育手机下载app它的温度是不高的,由于中心有一个链式反映,它有一个隔绝距离,正极是不在这个规模的,我们的正极材料根基上到500度以上才可能呈现分化。可是对一个年夜安时电池便可能冲破,逾越这个隔板,引发正极材料的分化,这就有可能达到700—900度,这是很主要的,我们此刻的储能电池根基上都是300安时以上,仍是很危险的。

我们看磷酸铁锂的产气,它发生的氢气渐渐增添,跟着SOC的增添,氢气到50%以上,这也长短常危险的。别的我们比力一下两种电池,磷酸铁锂电池和三元电池的燃爆风险,磷酸铁锂电池的燃爆指数是三元电池的两倍,这跟大师的认知不太一样,三元电池是本身轻易热掉控,本身把本身点着,磷酸铁锂电池本身点不着,可是它的气体爆炸的风险比三元电池要高,一旦在外面碰到火花它是更危险的。

下面说一下自动平安。我们自动平安是一个全进程的智能化治理,从智能制造若何来避免它的缺点,假如还缺点,我们对缺点进行研究,然后我们要做智能电池+传感器,再加上机械进修、人工智能。

起首是制造反馈上,避免各类缺点电池,好比异物、杂质、扯破、褶皱、极膜的对称不良,这也是我们跟国内某知名厂商合作的,在出产线上阐发各类缺点,特别是缺点演变的机理,这一点很主要。演变的进程中心,它怎样发生枝晶,枝晶怎样发展,我们都对它进行了不雅测和数字仿真。

我们经由过程这些方式初次复现了之前一向闹不大白的忽然灭亡型热掉控,这是没有任何征象,例如一辆电动车没有任何征象忽然就热掉控,我们发现了仍是以缺点演变致使的。

在此根本上,我们开辟了基在人工智能的在出产线上的电池缺点检测平台,传统的质量检测根基上只能检出6%,我们可以或许检出90%,这也是在出产线上已利用的。

适才讲的是制造,别的就是在利用进程中,我们开辟了基在人工智能的平安预警平台。之前基在纯数据很难做到如许,所以我们操纵了AI的进修算法,这是我们的第一代平台,让我们的检出率到达93%,误报率大要在8.6%,这是我们的第一代。

在此根本上,我们实现手艺冲破,开辟了电池范畴首个面向电池时序数据的年夜范围预练习模子,也就是电池的年夜模子,这是我们所基在的数据,我们的参数目此刻在1000万个参数,固然跟GPT还没法比,由于我们这是一个子范畴的年夜模子。

基在这个模子,我们又开辟了电动汽车平安预警平台2.0,此刻在储能、电动汽车、充电桩等等范畴都有利用。在这方面此刻的误报率已降到0.1%,预警的时候可以到达150天,这是我们的平台范围,此刻正在进一步扩年夜。

还更深切的就是要做电池的传感,所谓智能电池,这个固然比前面的难度更年夜,电池传感的部门常规的有温度、电流、电压,可是这是不敷的,所以我们认为最主要的传感就是电位传感,也就是说只有电压是不敷的,最主要的是要找到负极的电位,假如负极的电位能反馈,良多工作都可以解决,好比说析锂,它就是完全跟电位直接相干的,假如我们要让它不析锂,还要把析锂可以或许调归去,对析锂进行调控,必需反馈电位。所以我们开辟了在隔阂上做电位反馈,这是第一代,我们是用一个超细的探针放进去,刚最先它的寿命很短、误差很年夜,底子就不克不及用,在尝试室用几个小时是可以的,可是做产物是没法用的。到了第二代就是多孔的长命命产物,它的阻隔效应比力年夜,会对电池的机能有所影响,到第三代就是薄膜的低阻隔的,这个阻隔效应很小,可是功能仍是比力单一,所以我们正在开辟第四代面向产物化的膜电极。

我们比力立异的是用柔性材料,之前的三电极都是用的金属,我们没有效金属,而是用柔性的有机材料。(见PPT)这是实测的成果,寿命可以到达30万千米,也就是说可以做到跟车等寿命。我们不但可以单点反馈,还可以面上反馈。这就是我们新做的一些工具,此次活着界动力电池年夜会上还会展出我们的工具,终究的方针就是要做全部的智能电池,包罗无线BMS、自研的芯片,此次也会展出。必定不克不及有线,由于从里头往外送旌旗灯号,不成能把线插进去,这都是无线的。

最后一部门是被动平安的研发,这是我们做得最早的一部门。被动平安研发包罗我们介入了年夜量的变乱查询拜访和变乱阐发,和在这个根本上的热掉控和热舒展的仿真模子,和我们最后来改良被动平安的热治理,包罗隔热、散热等等,下面我别离介绍一下。

我们知道客岁在北京年夜红门产生了一次很年夜的储能电站平安变乱,烧死了3个消防队员,这件工作是国内储能电站产生变乱最严重的一路,我们在第一时候就介入了这个变乱阐发,经由过程仿真、研究,我们反推了全部变乱产生的进程,我们发现起首是在南楼有漏液,首要是短路。漏液起火过热、内短路,产生热掉控,年夜量的电解液分手的比空气重的组分,经由过程地下的通道舒展到北楼,因为北楼有火花,我们认为通常为电弧拉弧引发的火花,由于这里面有年夜量的氢气,最后就爆炸了,引爆的缘由是电器火花。为何电器火花这么轻易呈现?我们后来也阐发了,待会儿我给大师介绍。

在此根本上,我们也来研究储能电池的舒展特征,我们从中心发现,跟三元纷歧样,三元是喷出年夜量的固体颗粒,磷酸铁锂根基上都是释放气体,三元的颗粒会磨擦电池箱,它本身就会发生火花。可是磷酸铁锂电池一般本身其实不发生几多火花,它首要是出来气体,有明火的时辰就会触发烧舒展,而三元是本身就热舒展了,二者是纷歧样的。所以我们研究这个火花就很主要,我们对各类各样的火花都进行过研究,例如说电池放在水下,它也能够烧,之前我们感觉不成思议,怎样电池包放水下它还会烧,现实上这里面都是电弧拉弧致使的,在分歧的介质中心拉弧纷歧样的。在测试的进程中发维基体育网现还颗粒物引诱击穿电弧,一旦有烟气在这里面,临界击穿电压会年夜幅降落,就不是我们常规的击穿电压。常规击穿电压一两百伏是击不穿的,可是在烟气情况下,它的击穿电压会年夜幅降落,如许就会致使火花。所以从设计角度,我们就做了一个Map图,就是平安的电压规模是甚么,临界的击穿电压跟着我们的间隙的巨细、颗粒物的巨细是转变的。这是击穿电压的等高线,可以经由过程这个体例来设计出平安的防电弧的电器系统,这一块我们也是跟厂家合作的。

下一步是对全部热舒展的进程进行仿真和测试,例如说这是一个储能电池箱正箱的热舒展进程,我们装了年夜量的传感器,找到它舒展的纪律,好比说刚最先挨次舒展,然后瓜代舒展,然后再同步舒展、倒序舒展,它有它的纪律,在此根本上可以进行仿真。

这是我们对一个集装箱电池包的仿真,经由过程这个仿真来设计热治理系统。

别的就是车用电池包,我们也装上传感器来做研究,看它是怎样舒展的,全部进程我们都把它测出来,测出来以后便可以仿真,好比说电池包的仿真,这个处所很亏弱,电池的温度会把电池箱的盖子烧穿,这一块我们就要增强。左侧是仿真的,右侧是实测的,跟我们仿真的位置是一样的,如许我们便可以在亏弱的处所进行增强。

固然我们还要想法子隔热、散热等等,我们就开辟了防火墙手艺,我们有第一代、第二代、第三代。一般简单的隔热对低比能量电池是可以的,可是对高比能量电池光有简单的隔热不可,所以我们开辟了新的纳米纤维基底的耐高温的隔热材料,它可以承受1300度的高温,并且很薄。同时,光有隔热不可,我们还一个相变的材料,既隔热又散热,它可以吸热。

在此根本上,我们做了尝试,例如说传统的隔热,这是我们新加的隔热+散热,完全不会爆燃,对811以上的电池绝对是平安的。

以上就是我介绍的内容,感谢列位。

(以上为演讲速记,未经演讲者核阅。)

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