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【电动汽车百人会】中科大教授孙金华:锂电池火灾安全

1月11-13日,中国电动汽车百人会论坛(2019)在北京钓鱼台国宾馆召开,中国科学技术大学教授孙金华发表了主题演讲,演讲内容如下:

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中国科学技术大学教授 孙金华 

尊敬的吴院士,各位同仁,各位朋友,大家下午好!我来自于火灾科学国家重点实室,做安全的,有时候觉得做安全有点尴尬,因为一个企业或者一个行业起步或者发展的时候,虽然讲要重视安全,往往安全被忽略,因为你要追求安全的话,不产生经济效益,反之要提高安全需要付出大量的成本。当一个产业或者行业发展起来以后,出了安全问题我们安全的人又会出来讲,你们开始不重视我们,所以造成这样那样的问题,所以我们又不受待见,总觉得有点尴尬。我今天的汇报,我不做锂电池,我们主要从安全的角度看看锂电池的火灾危险性怎么样,我们怎么样对它的火灾危险性进行防控。

汇报的提纲有五个部分:

第一部分,背景我想大家都非常清楚了,时间关系把它跳过去。

我们团队2003年就开始对锂电池安全开始研究,我们跟其他做锂电池的团队是不一样的,他们的目标是围绕着提高锂离子电池的能量密度、提高它的循环性能、寿命等等,我们还是想从安全的角度,怎么样科学认识锂离子电池的危险性,怎么样用有效的技术手段去防控它。

我们的思路是什么呢?首先对一个锂离子电池,我要搞清楚它的火灾孕育机制是什么?这里面锂离子电池发生火灾,它的热量从什么地方来?它里面有很多反应,主控的反应机制是什么?这是我们首先要清楚的。第二,这个电池一旦发生火灾以后,危害性多大、火灾行为什么样、规律什么样?

我们搞清楚了它的孕育机制、搞清楚了它的火灾行为规律,我们怎么对它的火灾进行防控,发展相应的科学合理的火灾防控方法。

第二部分,锂离子电池系统反应的热动力学。有的地方可能跟艾老师有点相象,我们主要做的,在锂离子电池当时,不同的荷电状态我们解剖开来,电池与电解液的反应怎么样、发生的热量怎么样,包括正极和电解液的反应、负极和电解液的反应,荷电状态与产热的关系。这是负极,刚刚艾老师讲也有SCI膜,根据不同的材料、不同的成形分解温度是不一样的,而且反应开始也是从SCI膜开始的。

对整个全电池来讲,它的发热是由多个反应叠加而成的,在这样的情况下我怎么样把这个叠加的反应给它解耦解出来。我们用了数学的方法和几何、化学等这样一些测量不同温度下的产物,再用数学的像去卷积风险方法、遗传算法这样的方法,把整个全电池的反应放热系统可以把它分成若干个反应,比如说对整电池我们就可以变成ABCDEF这么六个分反应,从而厘清了各个分布反应过程它对电池热失控的一个贡献,同时我也能做出各个分布过程的动力学参数和热力学参数。

电池材料的化学反应,是要到达一定的温度才能进行化学反应。一定温度之前热量怎么来?我们也做了,在正常得宠放电情况下,包括其他滥用情况下它物理的产热,这个产热比如循环仪加上绝热加速量热仪,来测量在不同的充放电倍率情况下物理的现象产生的热量,这个热量如果不及时导出去,就会使电池体系温度升高,引起电池的化学反应,最后造成电池的失控。这个基础上我们建立了耦合电化学模型和热电耦合电池热失控模型,并且也发展了电池热失控预测软件。

第三部分,了解清楚了电池热失控机制以后,我们看电池发生火灾以后的危险性怎么样,电池和电池包之间火焰是怎么传播的。

我们用了ISO9705标准的大型锂离子电池火灾危险性侧室平台,我们可以测50,200安时大型锂离子电池在不同荷电状态下的火灾危险性,比如我们做了以前钴酸锂的、锰酸锂的,现在磷酸铁锂的,包括三元材料的等等。

通过这个实验我们发觉,对于不同的荷电状态火灾特性是不一样的,比如说荷电状态比较高的,百分之百荷电状态的时候,发现这个火有多次射流火的状态存在,比如开始着火了,限压阀打开以后火喷出来喷的老远,喷出来以后火小了,有一个小小的稳定火,过一段时间以后火又喷的很高,反反复复,有多次射流火的存在,最后把这个电池烧完。同时我们用刚才讲的热释放速率测量平台,测量了锂电池在火灾情况下的放射行为,它放的热量到底多大,不同SOC状态的时候它的热量是多少。

(责任编辑:admin)
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