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7月22日， 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、歐盟科學(xué)院院士、國家“973”計劃首席科學(xué)家 孫金華表示：

一、動力電池發(fā)展態(tài)勢與火災(zāi)形勢

應(yīng)該說，由于動力電池各種優(yōu)越性能已經(jīng)在人們的生活中廣泛應(yīng)用，當(dāng)然，用得最多的可能是新能源汽車和電化學(xué)儲能。雖然說電池不是我們國家發(fā)明的，但是，應(yīng)該說我們國家實現(xiàn)了彎道超車，目前，我國的電池技術(shù)以及電池的產(chǎn)量已經(jīng)達到了全球總產(chǎn)能的60%，未來的發(fā)展目標(biāo)毫無疑問是高能量密度、高安全、長壽命、低成本。

隨著我們國家電池行業(yè)的快速發(fā)展，電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)也得到了迅速提升，特別是在新能源汽車行業(yè)。截止2021年底，新能源汽車保有量接近800萬輛，今年預(yù)計會有500多萬輛的銷售。根據(jù)國際能源署發(fā)布全碳中和路線圖認為，大概2030年時新能源汽車年銷量達到5500萬輛，到2035年，全球大部分國家將禁售燃油汽車，全面進入新能源汽車時代。

隨著新能源汽車的大力發(fā)展，使得新能源汽車火災(zāi)也頻繁發(fā)生。根據(jù)去年應(yīng)急管理部消防救援局發(fā)布的介紹，2021年，全國電動車發(fā)生的火災(zāi)事故大概有3000余起，根據(jù)我們接近800萬輛的新能源保有量，它的著火概率大概在萬分之三左右，從這方面來講是要比燃油車略高一些。

事故統(tǒng)計來看，6%是三元電池新能源，5%是磷酸鐵鋰，還有5%是不明的。35%在充電狀態(tài)，40%在行駛狀態(tài)，25%是在靜止?fàn)顟B(tài)，我們知道，汽車是在靜止?fàn)顟B(tài)時間最長的，但是它的發(fā)生火災(zāi)概率最低，充電時間是最短的，但是發(fā)火概率是35%。

從一年四季發(fā)生火災(zāi)形勢來看，在高溫期階段的火災(zāi)發(fā)生概率比冬季和其他季節(jié)高出許多。

二、動力電池?zé)崾Э卦杏龣C理

我們知道，動力電池有正極材料，基本上是一些氧化劑，還有負極材料、電解液，電解液是還原劑。電池本來是氧化劑和可燃劑的化學(xué)物，就容易發(fā)生事故。

我們團隊包括國內(nèi)外學(xué)者首先看電池材料的危險性如何，它的分解如何，電池材料和電池材料之間反應(yīng)特性如何，對此做了系統(tǒng)的研究。我在這里舉一個例子，電池材料分解的情況，還有正極材料與電解液反應(yīng)情況，還有負極材料與電解液的反應(yīng)情況，還有電池系統(tǒng)整體材料在一塊兒發(fā)生反應(yīng)的情況。

對于電池整體材料反應(yīng)是非常復(fù)雜的，有多個反應(yīng)存在，有的是放熱反應(yīng)，有的是吸熱反應(yīng)。我們根據(jù)單體材料的反應(yīng)，材料與材料之間的反應(yīng)，再結(jié)合一些數(shù)學(xué)分析方法，包括去卷極分析方法等，然后對反應(yīng)方法進行解耦，分成10個反應(yīng)，我們從中可以看到哪些是誘導(dǎo)反應(yīng)，哪些是造成熱失控的反應(yīng)。有了這些反應(yīng)，我們再結(jié)合前面的分析，發(fā)現(xiàn)這些反應(yīng)，我們電池正常使用的溫度是在40℃或者40℃以下，它為什么會發(fā)生這些反應(yīng)，誘導(dǎo)這些熱失控的反應(yīng)是怎么來的，我們量化不同充放電倍率情況下產(chǎn)生了電化學(xué)熱，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)熱和電化學(xué)熱我們建立了熱電耦合的熱失控預(yù)測模型，初始熱量是充放電循環(huán)等物理熱積累，如果不能及時導(dǎo)走的話，會誘發(fā)熱失控反應(yīng)。初始反應(yīng)是負極表面SEI膜分解，焦耳熱誘發(fā)系列化學(xué)反應(yīng)。

三、動力電池火災(zāi)行為規(guī)律

我們建立了一系列的多尺度實驗平臺，首先從單體電池，包括后面的電池膜組的火災(zāi)行為進行了一些研究。單體電池從小容量18650電池到大型的38232電池，電池種類有磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等等。

磷酸鐵鋰和鈦酸鋰的火災(zāi)行為的研究，包括負荷電狀態(tài)不同，熱釋放速率峰值個數(shù)的不同，荷電狀態(tài)越高，熱失控狀態(tài)會增加我們量化不同SOC狀態(tài)總的產(chǎn)熱量以及它的火災(zāi)行為，包括噴射火的一些行為等等。

同時，我們對電池?zé)崾Э氐碾y易程度，還有發(fā)生火災(zāi)之后的危險程度這兩個緯度對電池的危險性進行了分類評價，分成一二三四五類。第一類是很危險的，第五類相對來講是安全的，也就是說基于熱失控的難易程度和熱失控以后的危害程度對電池安全性進行分類。

當(dāng)電池組成電池模組時，我們建立了大尺寸平臺，研究電池?zé)崾Э貍鞑ヒ?guī)律。一個電池模組，前面的電池加熱，第一個電池開始熱失控，后來再傳播到第二個、第三個、第四個，第五個，如果不采取任何措施，它的傳播速率是逐步遞增的，也就是說，兩個電池傳播熱失控的時間是越來越短的。馮旭寧老師的研究成果表明，熱失控電池有12%的熱量傳到下一個電池時，就會引起下一個電池的熱失控。

我們也對電池的熱失控當(dāng)中到底是熱傳導(dǎo)為主還是熱輻射或者熱對流為主進行了研究，在不同的條件下，熱失控傳播的主控機制有所改變。

四、動力電池安全防控技術(shù)

第一，電池本體的安全

我們怎么樣使電池做得更安全，從我們剛才前面對機理的分析，電解液是安全的一個主要因素，所以我們首先能不能做到電解液難燃和不燃。二是由于隔膜的熔點很低，120-130℃左右，我們能不能研發(fā)出更高熔點的隔膜，甚至是無機隔膜。三是正極材料，我們怎么樣提高正極材料的穩(wěn)定性，防止與電解液發(fā)生反應(yīng)，這是本體安全。

第二，在電池使用過程當(dāng)中的過程安全

在電池使用過程當(dāng)中，如果有事故隱患狀態(tài)，可能發(fā)生熱失控，我應(yīng)該進行熱失控預(yù)測預(yù)警。我們經(jīng)過一系列電池?zé)崾Э氐膶嶒?，提取可能用于電池?zé)崾Э氐膮?shù)，包括閾值。結(jié)合我們前面熱失控的模型，發(fā)展三級基于多參數(shù)融合電池火災(zāi)預(yù)測預(yù)警技術(shù)。第一級是故障預(yù)警，第二級熱失控是預(yù)警，第三級是火災(zāi)報警。

第三，消防安全

萬一著火之后，要迅速撲滅，不讓它形成大災(zāi)，我們優(yōu)化一系列的滅火劑，創(chuàng)新發(fā)展了一種新的適合于電池系統(tǒng)的滅火方法，滅活劑要求有不良導(dǎo)體，能夠帶電滅火，第一次快速噴放，使火迅速撲滅，后面進行多次緩射，目的一是降低電池溫度，二是能保證系統(tǒng)里面的滅火劑濃度之后，使它不復(fù)燃。

五、安全研究展望

首先，要發(fā)展安全型或者本質(zhì)安全型電力電池，還要進一步從電池材料、全電池系統(tǒng)安全設(shè)計以及生產(chǎn)工藝方面提高安全性能。第二，要研究高性能、高安全的電池，比如固態(tài)電池、鈉離子電池等。還要對電池極力造成期故障診斷與熱失控精準(zhǔn)預(yù)測技術(shù)，現(xiàn)在有了這些技術(shù)，但是還難以做到非常靶向的，比如對一個電池包可以講里面是有一個電池有問題，但是具體到哪一個電池呢，可能還需要進行一些系統(tǒng)的研究。第三，要發(fā)展智能一體化的安全防控技術(shù)。要集熱管理、故障診斷、熱失控預(yù)警、滅火協(xié)同的智能一體化安全技術(shù)，形成高效熱管理智能精準(zhǔn)預(yù)測和快速處置，最后實現(xiàn)高效、清潔滅火。

原標(biāo)題：孫金華：動力電池安全研究進展