一級消防工程師：鋰離子電池火災防控技術取得新突破
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鋰離子電池火災防控技術取得新突破
中國科學技術大學是中國科學院所屬的一所綜合性全國重點大學，以前沿科學和高新技術為主、兼有特色管理和人文學科，是國家首批實施“985工程”“211工程”和“雙一流”建設大學之一。中科大火災科學國家重點實驗室(簡稱“火災實驗室”)是我國唯一的火災科學基礎和應用基礎研究的國家級重點研究機構，在國際火災科學領域具有重要影響力和學術地位?；馂膶嶒炇页袚目蒲许椖?ldquo;鋰離子電池火災危險性及其防控技術”取得了多項新技術的突破，2018年6月，該項目獲得了第八屆中國消防協(xié)會科技創(chuàng)新獎一等獎。
安全性問題急需解決鋰離子電池具有高電壓、高比能量、長循環(huán)壽命等卓越性能，在消費電子領域成為主導電源，并已在光伏儲能、核電儲能、風力儲能、飛機等產業(yè)領域得到應用，尤其是新能源汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，就目前而言，鋰離子電池是新能源汽車的“心臟”。然而，鋰離子電池熱失控引發(fā)的火災爆炸事故屢見報端，安全性問題成為阻礙鋰離子電池在電動汽車、儲能產業(yè)大規(guī)模商業(yè)化應用的主要原因之一。國內外關于鋰離子電池火災危險性及其防控技術方法的研究非常有限，而且研究對象主要是小型電池，或者由小型電池組成的電池組，而鋰離子電池的安全性與電池的大小、容量有關。商用小型電池，比如手機、攝像機、筆記本電腦所用的電池一般是由3Ah左右的方形或圓柱形(18650)電池構成，電池重量大概在10~30g之間。相比之下，電動自行車所用電池模組的重量在3~4kg之間，電動摩托車所用電池模組重量約為15~20kg，混合電動汽車所用電池模組重約30~100kg，純電動汽車所需電池模組重約300~400kg，儲能電站所需電池模組重約1000kg以上。隨著電池應用的規(guī)模擴大，單位空間內的能量密度增強，加大了其火災爆炸事故風險，因此，亟需開展大型高能量鋰離子電池的火災危險性研究。2002年，火災科學國家重點實驗室副主任、工業(yè)火災研究室主任孫金華教授從日本回國，主持中科院“百人計劃”項目、973項目子課題、國家自然科學基金面上項目等國家和省部級重要科研課題10余項。他在研究過程中，敏銳地發(fā)現，作為一種新興的能量載體，鋰離子電池在消費電子、電動汽車等產業(yè)領域有著廣泛的應用前景。但鋰離子電池火災爆炸事故時有發(fā)生，而國內外對鋰離子電池火災的認識極其匱乏，已成為阻礙鋰離子電池大規(guī)模商業(yè)化應用的關鍵一環(huán)。面對重大安全科技需求，在國內外研究資料嚴重不足的情況下，孫金華提前布局，組建鋰離子電池安全研究團隊，開展前瞻研究。孫教授特別安排王青松博士針對鋰離子電池安全方面問題這一“冷門課題”開展系統(tǒng)研究，并成立了火災實驗室鋰離子電池安全研究團隊。研究團隊獲得了國家自然科學基金等項目的資助，單位對本項目也高度重視，提供了良好的科研平臺和科研環(huán)境，建設有鋰離子電池熱安全實驗臺、鋰電池火災實驗臺、鋰電池熱仿真計算平臺、全尺寸熱釋放速率實驗臺等平臺，購置了C80微量量熱儀、加速量熱儀、差示掃描量熱儀(DSC)、紅外熱像儀、高速攝像儀、綜合熱分析儀、錐型量熱儀等儀器，為本項目的順利開展提供了實驗條件保障。
迎難而上創(chuàng)新研究成果鋰離子電池的火災安全問題主要來自電池的熱失控，為此，王青松等項目團隊成員甘坐科研“冷板凳”，迎難而上、不斷挑戰(zhàn)自我，在困境中勇往直前、毫不退縮，采用安全系統(tǒng)工程原理，從鋰離子電池的熱失控災害孕育、災害發(fā)生及災害防控等方面開展了系統(tǒng)研究。針對國內外在電池火災危險性方面研究的嚴重不足，項目團隊建立了大型高能量鋰離子電池全尺寸火災行為測試平臺。在不斷的反復實驗中，研究團隊首次發(fā)現鋰離子電池具有多次射流火的特殊現象，并將鋰離子電池的火災行為劃分為六個階段：電池膨脹、第一次噴發(fā)射流火、穩(wěn)定燃燒、第二次噴發(fā)射流火及穩(wěn)定燃燒、第三次噴發(fā)射流火及穩(wěn)定燃燒、火焰減弱至熄滅。為進一步揭示鋰離子電池多次射流火機制，提出使用去卷積分析方法，分析每個產熱階段具體的熱流峰。通過對電極材料的熱分析發(fā)現，多次射流火是正極材料在高溫下分解釋放大量的熱和氧，與電解液分解產生的可燃性氣體混合，發(fā)生強烈燃燒或導致爆炸。鋰離子電池電解液是鋰離子穿梭于正負極之間的紐帶與橋梁，具有“鋰離子電池血液”的美譽。由于電解液具有易分解性和可燃性，因此提高鋰離子電池的安全性一直是該領域的難題。項目團隊的研究表明，導致電池熱失控的熱量主要來自其內部的化學反應熱，因此，研究能夠抑制電池內部反應的阻燃添加劑，可抑制熱失控反應的發(fā)生。基于此，團隊系統(tǒng)研究了磷酸酯系列添加劑，以及復合型添加劑等對電池電解液、正極、負極和全電池的電性能及熱穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并提出了阻燃劑抑制電池熱失控發(fā)生的自由基捕獲阻燃機理。一步步的發(fā)現讓團隊的人員信心大增，接著，團隊又研發(fā)了鋰離子電池本質安全型電解液，在這個研究過程中，進一步探索了本質安全型鋰離子電池體系。添加阻燃劑后，電解液在高溫時形成焦炭，阻止了電解液的分解和燃燒，有效改善了鋰離子電池的安全性，而且對全電池的電化學性能幾乎沒有影響，從而初步解決了鋰離子電池的安全性與電化學性能不兼容的矛盾，提高了電池的本質安全性。對鋰離子電池的火災危險性研究發(fā)現，電池發(fā)生火災時會出現多次射流火現象，而現有消防裝備和設計均為一次滅火，因此，電池的特有火災現象對消防設計是一大技術挑戰(zhàn)。針對鋰系電池消防難題，項目團隊提出了鋰離子電池系統(tǒng)的三級溫度控制策略，并首次設計出具備二次滅火功能的消防設計方案，即兩套滅火裝置共用一個消防柜，實現對兩個電池儲能單元的滅火保護，兩套滅火裝置相互獨立且互為備用，整體具備二次滅火功能。該方法有效地解決了鋰電池體系的消防技術難題，不僅是一種智能、高效的消防裝置設計方法，同時進一步發(fā)展完善了火災防治技術。
為社會帶來更加安全的環(huán)境近年來，在國內新能源汽車蓬勃發(fā)展的背景下，汽車由燃油轉向“燃電”，鋰離子電池作為目前最優(yōu)的動力來源選擇，具有巨大的行業(yè)需求。2018年新能源乘用車的銷量為125萬輛，保守估計，到2020年，新能源乘用車保有量將突破380萬臺，新能源總保有量有望突破500萬輛。截至2018年9月底，全球已投運電化學儲能項目的累計裝機規(guī)模為4037.6MW，其中我國裝機規(guī)模已達649.7MW。據預測，到2020年，我國電化學儲能累計裝機規(guī)模將達2GW。項目團隊經過十余年的探索，在鋰離子電池的本質安全技術、火災爆炸預測預警技術以及消防控制技術等方面取得突破性和原創(chuàng)性進展。研發(fā)的鋰離子電池安全電解液在電池企業(yè)得到應用，提高了電池的本質安全，降低了電池的火災風險，使其順利通過安全國標GB/T 31485―2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》的檢測。開發(fā)的多級安全防控技術“填補了國內鋰離子電池火災危險性分析和消防研究方面的空白”，為鋰離子電池的安全使用提供了安全技術保障。令人欣慰的是，鋰離子電池溫控策略、消防系統(tǒng)設計等方面的研究成果已成功應用于南方電網某電池儲能站，目前已安全運行5年，充分發(fā)揮了持續(xù)安全供電功能，項目成果的應用產生了顯著的經濟效益和社會效益。
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