【电动汽车百人会】武汉大学教授艾新平:高比能动力电池的安全性问题

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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,武汉大学教授艾新平发表了主题演讲,演讲内容如下:



武汉大学教授 艾新平

我今天给村里人 探讨的主题是“高比能动力电池的安全性问题”。安全性村里人 全是非常关注的有有有另一个话题。近年来,随着电动汽车保有量增加,以及村里人 动力电池能量密度的提高,安全性事故处在,哪几种事故处在,不可能 严重影响了电动汽车的发展,甚至村里人 提出,现在结束了了对村里人 国家制定的动力电池技术发展路线提出了质疑。为哪几种锂离子电池处在安全风险?哪几种因素会会引起锂离子电池安全事故?村里人 有这么最好的土方法提高电池安全性?我就要借什儿 不可能 跟村里人 做有有有另一个简单的探讨。

锂离子电池的安全性归根到底励志的话 ,却说我来自于电池的热失控。在村里人 锂电池中除了村里人 熟知的正常的充放电反应外,它事实上处在着潜在的负反应,在电池的正常温度和正常的电压范围上端,哪几种负反应是太大再处在的。如可让 当电池温度缺陷不可能 你的充电电压缺陷的原先,哪几种负反应就会被引发。哪几种热量不可能 得只有及时的疏散,就会引起电池温度和压力的急剧上升,最后原因热失控。其中正极在电池中所占的质量比是最大的,它的放热量常规来说也是最大的,如可让 正极对电池安全性影响非常大的,其他其他村里人 采用不同正极的原先,村里人 锂离子电池的安全性不一样的原因。

处在安全性事故,处在热失控最早的有有有另一个反应,现在普遍认为是负极表皮层 SEI膜的分解。村里人 知道对于充满电的有有有另一个负极来说,它的电势跟村里人 金属锂的电是基本一样的,村里人 知道金属锂是非常活泼的。也却励志的话 村里人 充满电原先,村里人 负极的电势它的反应性是非常强的,什儿 原先电解液现在结束了了的原先,电解液就会表皮层 处在强烈的还原,还原产物沉积在什儿 负极的表皮层 就形成了SEI膜,正是这层膜的处在,我就要们锂离子电池不能正常的工作。如可让 什儿 层SEI膜之其他其他稳定,稳定性之其他其他好。当温度达到120、130不可能 140,根据你的总成不一样,加带剂不一样,它有不可能 处在热分解。处在分解原先,负极裸露原先,电解液直接跟它接触,电解液直接在负极表皮层 处在有有有另一个剧烈的还原分解,放出几滴 的可燃性氯化氯化氢二氧化碳体,一起去释放出几滴 的热。什儿 热会不利于电池的温度进一步上升,当电池的温度上升到正极分解温度的原先,差太大130-30度,这原先正极处在分解,正极分解它的产热量很大。一起去更为严重的是正极分解过程中会释放原子态的氧,也却说我来不及负荷的氧,什儿 原子态的氧活性非常高的,它会原因电解液直接氧化分解,电解液分解产生的热量非常大,短时间内会造成电池结构几滴 的热量积累。

村里人 对热失控认识一般是原先的,当短路、过充等等哪几种滥用条件,原因村里人 电池温度升高一百多度的原先,这原先就会相继引发电池其他潜在的负反应。不可能 村里人 散热低于它的产热水平的原先,这原先温度就会升高,村里人 知道化学反应,它的反应效率是随着温度的升高呈指数性增速的。其他其他温度越高的原先,哪几种负反应的反应效率会急剧增大,最后原因电池进入有有有另一个这么控制的自加温情况表,村里人 就叫做热失控情况表,原因处在身爆炸和燃烧。为哪几种电动汽车一般是燃烧,全是爆炸?不可能 村里人 电动汽车在设计的原先,村里人 一般设计了安全阀,当压力达到八个不可能 八个大气压的原先村里人 会限压,现在在限压过程中,电解液的散点是非常低的,全是十几度到三十多度。哪几种蒸汽在喷出来的原先,跟安全阀的摩擦就足以让它点燃,处在燃烧,这却说我为哪几种村里人 动力电池经常处在燃烧的原因。

从什儿 图上都只有都看正极材料的不同,它的热稳定是不同的。比如磷酸铁锂安全性好,为哪几种?不可能 它在30-30什儿 范围内,基本是不处在分解的,不产生热,其他其他它相对比较安全。为哪几种说相对呢?不可能 它正极的产热这么了,如可让 负极的产热,电解液的氧化分解仍然处在,其他其他村里人 说相对安全。如可让 对三元材料来说,村里人 在130,总成不一样,在30范围内,都处在着剧烈的放热分解,什儿 热量产生非常大。

右边什儿 图都只有都看(PPT),随着镍含量的增加,高镍三元正极热分解温度这么低,放热量这么大。比如当镍含量达到0.8,811村里人 都看,在120度左右就现在结束了了处在热分解。村里人 一般认为热失控的起发原因,第有有有另一个反应应该是负极的热失控,如可让 对三元来说,它有不可能 是正极先处在热失控,如可让 负极再处在热失控。村里人 要补救什儿 问题,对三元来说难度将更大。

村里人 说短路和过充是引起电池温升,最后引发负反应的原因。哪几种因素会原因短路和过充呢?村里人 想太大再再它短路,太大再它过充不就完了嘛。但实际上村里人 做只有,我这里想从工艺因素、材料因素和应用过程有有有另一个方面给村里人 做有有有另一个介绍。比如村里人 都知道电池,村里人 隔膜和电极表皮层 有一层导电粉尘,正负极处在错位,即便有极片毛刺,电解液分布不均,原因局部析锂等等,这全是过充。另外不可能 村里人 在正极材料中涵盖一定的金属杂质,在充电的原先,金属杂质就会对正极处在氧化挥发,挥发在电解液中的金属离子,就会在负极马上处在还原,沉积在负极表皮层 ,原因电池的短路。村里人 说村里人 在组合的原先,村里人 对电池进行了筛选,村里人 对短路电池进行了剔除,太大再可能 有什儿 问题。是的,那是对其他短路特征很明显的,村里人 都只有做到。如可让 不可能 哪几种情况表造成了电池短路,并这么表现出来,是五种潜在的短路危险,而它并这么表现出任何短路的特征。村里人 知道电池在充放电过程涵盖有有另另一个膨胀和收缩。比如村里人 在充电的原先,负极体积变化,变大,电池膨胀,村里人 放电的原先,负极体积变小,电池是收缩的,反复的膨胀收缩过程中,原先不短路的位点有不可能 处在短路,就再次出现哪几种问题。村里人 经常有原先分析的原先发现车不可能 充满电了,充完电有几块小时原先起火了,有不可能 却说我什儿 原因引起的。

另外过充,几滴 的充电会原因局部过充,不可能 村里人 的极片它的表皮层 电流分布之其他其他均匀,电流越大,它的不均匀分布越大,这原先有不可能 局部过充。另外即便涂层,电解液分布不均,电极间距不均,全是引起电流分布不均和局部过充。另外不可能 在循环过程中,正极的性能衰竭过快,加带正极的容量少了,也会原因过充。另外从管理来讲,BMS死机不可能 功能障碍,不可能 充电继电器只有正常工作,哪几种全原因过充。其他其他在应用过程中,村里人 太难补救哪几种滥用条件的再次出现,电池在使用过程中全是处在安全隐患。单体安不安全是相对的,并全是有有有另一个绝对的概念。村里人 应该把重点插进哪里呢?除了提高电池安全性以外,更要做的工作是欧阳老师村里人 现在做的工作,在系统层面上多做工作。如可补救单体处在热失控原先产生其他从性能层面处在其他灾难性事故,这是村里人 在系统层面只有做的工作。

这里我给出安全事故处在发展的过程,安全性电池从系统来讲励志的话 ,它处在整个热失控并全是有有有另一个很慢的过程,是有有有另另一个过程的。首先单体不可能 短路等等原因引起热失控,原因整个模块的热失控,模块热失控又引起临界模块的热失控,原先传递下去,最后原因整个系统的热失控。整个它是有原先有有有另一个发展过程的,其他其他村里人 提高电池的安全性,村里人 应该从有有有另一个层面上开展工作。第一是材料层面,第八个是单体层面,第有有有另一个层面是系统层面,在材料层面,村里人 要重点提高材料和界面的热稳定性,降低它的产热量。在单体层面,村里人 除了要优化电池热设计以外,村里人 更重要的是发展其他热保护技术,比如PTC电极,热关闭隔膜等等,在系统层面,欧阳老师村里人 正在做的工作,要重点开展隔热设计,补救热扩展。总体来说,我认为材料是基础,单体是关键,系统是安全的最后保障。

我下面就如可提高电池安全性做其他阐述。第一,从提高材料和界面的热稳定方面来说,村里人 有有几块方案,第有有有另一个,表皮层 包覆。通过在正极活性表皮层 ,村里人 知道正极的热分解和它引起的析氧与界面的反应是非常影响电池安全性的,村里人 都只有通过正极活性表皮层 包覆热稳定的保护层,刚才王朝阳老师讲的那个东西其实却说我什儿 思路。我在有有有另一个活性的不可能 高镍的正极表皮层 包覆有有有另一个相对能量比较低,如可让 活性比较低的原先有有有另一个活性物质,原先有不可能 都只有减少,它的材料热稳定性并这么影响,如可让 它都只有减少高活性的物质与电解液的直接接触,减少负面反应,什儿 还是有非常好作用的。哪几种包覆包括磷酸盐、氧化物、氟化物,也都只有是其他聚合物,这里我有有有有另一个例子,跟王朝阳老师刚才讲得有点硬这类。比如在表皮层 包覆磷酸膜不可能 磷酸锂原先,它的三元材料分解温度,产热量是减少的。

另外有有有另一个却说我村里人 要构建浓度梯度的材料,村里人 知道高镍正极它不安全,除了它五种的热稳定性不好以外,更重要的是镍对电解液的氧化分解它的催化作用非常强。其他其他镍的含量越高,电解液的氧化分解,界面反应太大。村里人 在研究安全性的都知道,材料五种的放热量并全是这么大,如可让 加带电解液原先,它的产热温度和产热量是急剧提高的。为哪几种?其他其他原先是电解液的界面反应占了很大的偏离 。不可能 村里人 将高镍作为核,用其他低镍含量的材料作为壳,让它内外有有有另另一个浓度梯度,原先全是不利于降低什儿 材料界面的反应活性,提高电池安全性。

第三,SEI膜的稳定性对电池安全性非常重要。不可能 村里人 采用其他最好的土方法能提高SEI膜的分解温度,提高热稳定性,对电池安全性将起到至关重要的作用。现在的研究表明,其他有机脂类,其他有机磷酸盐,甚至其他含氟的锂盐,村里人 全是都只有有效的来提高负极SEI膜热稳定性的,提高它的分解温度,例子就不全部介绍了。

从单体层面,村里人 如可会会在么在开展工作?除了村里人 常规的要进行热安全设计以外,要优化什儿 设计以外,更重要的,村里人 要建立单体自激发热保护。哪几种意思呢?我让什儿 单体不能根据自身感受的温度,不能调整当事人的电流输出不可能 是功率输出。它的技术原理是利用温度敏感材料切断危险温度下电极上的电子传输或离子传输,甚至关闭电池反应。有有有另一个电池反应关闭了,电池反应不处在了,自然它的产热就终止了。比如村里人 知道有五种材料叫PTC材料,什儿 材料的特征是随着温度的升高,升高到一定程度的原先,什儿 材料会从有有有另一个良好的导电态变成有有有另一个绝缘态,这却说我PTC材料,不可能 村里人 采用有PTC特征的其他材料,作为极流体的土层不可能 作为电极的导电剂不可能 作为活性物质的表皮层 修饰层,原先当村里人 在短路过程原因电池温度升高的原先,什儿 PTC材料会急剧增大,原先就会大幅度的降低电极上电子材料的温度,甚至切断它的电子传输,让什儿 电池的温度不再上升。

另外村里人 都只有实现离子传输,比如村里人 在电极的表皮层 修饰上五种寡菌(音)不可能 单体,在常规下面有孔的,电解液的离子是都只有通过的。不可能 在高温下面,什儿 寡菌不能不可能 温度处在聚合,成有有有另一个聚合膜,这原先就会切断活性物质和电解质的接触,关闭什儿 电池反应。我下面举有几块例子,比如村里人 基于导电聚合物-碳黑复合导电剂的PTC电极,村里人 都只有发现在120度下,什儿 电池基本只有放电了,如可让 什儿 导电剂不能明显的提高三元材料在过充、短路下它的安全性。

另外五种,村里人 发展了有有有另一个微球修饰隔膜,村里人 在常规隔膜的表皮层 修饰一层可熔化的微球,在常温下是微球的情况表,离子都只有穿过它。如可让 温度升高的原先,微球处在有有有另一个熔化,这原先就封闭隔膜上的孔道,切断正负之间的离子传输,原因电池反应关闭。村里人 研究表明,他用了三元电池的原先,跟空白电池对比,在短路测试、挤压测试、过充测试,全是明显的优势。

另外,村里人 都只有把修饰隔膜也用在高镍的811体系上端,村里人 与常规的隔膜做了对比,都只有发现它的常规循环性能这么影响。如可让 在过充的原先,修饰隔膜的电池不能达到两倍的电压,它的表皮层 温度都只有降低25度,短路的原先,修饰隔膜电池明显低于参考电池。针刺的原先,对比的电池是处在热失控的,而采用修饰隔膜的电池这么处在热失控。

哪几种例子说明哪几种呢?说明村里人 是有最好的土方法,如可让我村里人 努力,村里人 是有最好的土方法来补救电池安全性问题。村里人 承认电池其实有安全性问题,如可让 村里人 全是这么最好的土方法。在理论上,在技术上,村里人 是有其他其他途径来做的。只不过哪几种最好的土方法现在应用过程中还处在其他问题,比如说村里人 修饰隔膜,从控制安全性的深度,如可让我熔点太大越好,最好70度、30度,正常电池太大再到70、30度。如可让 电池对水的含量控制非常高,村里人 的电芯在烘干的原先,要110度,这就成了有有有另一个工艺矛盾的问题,如可会会在么在样来补救哪几种矛盾?这是什儿 技术发展只有补救的问题。

总而言之,我其实村里人 通过其他新的思路,是有不可能 来补救电池安全性问题的。

最后,我就要就我的理解,对安全性问题做有有有另一个总结和展望。

第一,安全性问题伴随电池比能量提高而变得愈加严重,但不应该由此否定动力电池技术路线和发展趋势。

第二,电池安全性是有有有另一个严重的技术挑战,如可让 可控可防,正确面对并积极探索其他新的安全性技术,将不不利于不利于电池技术进步。

第三,提高材料/界面热稳定性,开发单体自激发热保护技术,以及系统热扩展防范技术,都只有有效改善电池系统的安全性,只有加强研究。谢谢村里人 !

敬请关注盖世汽车“2019电动汽车百人会”专题实录

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