一級(jí)消防工程師：鋰離子電池火災(zāi)防控技術(shù)取得新突破

鋰離子電池火災(zāi)防控技術(shù)取得新突破

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)是中國(guó)科學(xué)院所屬的一所綜合性全國(guó)重點(diǎn)大學(xué)，以前沿科學(xué)和高新技術(shù)為主、兼有特色管理和人文學(xué)科，是國(guó)家首批實(shí)施“985工程”“211工程”和“雙一流”建設(shè)大學(xué)之一。中科大火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(簡(jiǎn)稱“火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室”)是我國(guó)唯一的火災(zāi)科學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究的國(guó)家級(jí)重點(diǎn)研究機(jī)構(gòu)，在國(guó)際火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域具有重要影響力和學(xué)術(shù)地位。火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的科研項(xiàng)目“鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)性及其防控技術(shù)”取得了多項(xiàng)新技術(shù)的突破，2018年6月，該項(xiàng)目獲得了第八屆中國(guó)消防協(xié)會(huì)科技創(chuàng)新獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

安全性問(wèn)題急需解決鋰離子電池具有高電壓、高比能量、長(zhǎng)循環(huán)壽命等卓越性能，在消費(fèi)電子領(lǐng)域成為主導(dǎo)電源，并已在光伏儲(chǔ)能、核電儲(chǔ)能、風(fēng)力儲(chǔ)能、飛機(jī)等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)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?zé)崾Э匾l(fā)的火災(zāi)爆炸事故屢見報(bào)端，安全性問(wèn)題成為阻礙鋰離子電池在電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要原因之一。國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)性及其防控技術(shù)方法的研究非常有限，而且研究對(duì)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(guān)。商用小型電池，比如手機(jī)、攝像機(jī)、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(gòu)成，電池重量大概在10~30g之間。相比之下，電動(dòng)自行車所用電池模組的重量在3~4kg之間，電動(dòng)摩托車所用電池模組重量約為15~20kg，混合電動(dòng)汽車所用電池模組重約30~100kg，純電動(dòng)汽車所需電池模組重約300~400kg，儲(chǔ)能電站所需電池模組重約1000kg以上。隨著電池應(yīng)用的規(guī)模擴(kuò)大，單位空間內(nèi)的能量密度增強(qiáng)，加大了其火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)，因此，亟需開展大型高能量鋰離子電池的火災(zāi)危險(xiǎn)性研究。2002年，火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、工業(yè)火災(zāi)研究室主任孫金華教授從日本回國(guó)，主持中科院“百人計(jì)劃”項(xiàng)目、973項(xiàng)目子課題、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等國(guó)家和省部級(jí)重要科研課題10余項(xiàng)。他在研究過(guò)程中，敏銳地發(fā)現(xiàn)，作為一種新興的能量載體，鋰離子電池在消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但鋰離子電池火災(zāi)爆炸事故時(shí)有發(fā)生，而國(guó)內(nèi)外對(duì)鋰離子電池火災(zāi)的認(rèn)識(shí)極其匱乏，已成為阻礙鋰離子電池大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵一環(huán)。面對(duì)重大安全科技需求，在國(guó)內(nèi)外研究資料嚴(yán)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(tuán)隊(duì)，開展前瞻研究。孫教授特別安排王青松博士針對(duì)鋰離子電池安全方面問(wèn)題這一“冷門課題”開展系統(tǒng)研究，并成立了火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室鋰離子電池安全研究團(tuán)隊(duì)。研究團(tuán)隊(duì)獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助，單位對(duì)本項(xiàng)目也高度重視，提供了良好的科研平臺(tái)和科研環(huán)境，建設(shè)有鋰離子電池?zé)岚踩珜?shí)驗(yàn)臺(tái)、鋰電池火災(zāi)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、鋰電池?zé)岱抡嬗?jì)算平臺(tái)、全尺寸熱釋放速率實(shí)驗(yàn)臺(tái)等平臺(tái)，購(gòu)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(xiàng)目的順利開展提供了實(shí)驗(yàn)條件保障。

迎難而上創(chuàng)新研究成果鋰離子電池的火災(zāi)安全問(wèn)題主要來(lái)自電池的熱失控，為此，王青松等項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(zāi)害孕育、災(zāi)害發(fā)生及災(zāi)害防控等方面開展了系統(tǒng)研究。針對(duì)國(guó)內(nèi)外在電池火災(zāi)危險(xiǎn)性方面研究的嚴(yán)重不足，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)建立了大型高能量鋰離子電池全尺寸火災(zāi)行為測(cè)試平臺(tái)。在不斷的反復(fù)實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)鋰離子電池具有多次射流火的特殊現(xiàn)象，并將鋰離子電池的火災(zāi)行為劃分為六個(gè)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(jìn)一步揭示鋰離子電池多次射流火機(jī)制，提出使用去卷積分析方法，分析每個(gè)產(chǎn)熱階段具體的熱流峰。通過(guò)對(duì)電極材料的熱分析發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生的可燃性氣體混合，發(fā)生強(qiáng)烈燃燒或?qū)е卤āｄ囯x子電池電解液是鋰離子穿梭于正負(fù)極之間的紐帶與橋梁，具有“鋰離子電池血液”的美譽(yù)。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(lǐng)域的難題。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的研究表明，導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐臒崃恐饕獊?lái)自其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)熱，因此，研究能夠抑制電池內(nèi)部反應(yīng)的阻燃添加劑，可抑制熱失控反應(yīng)的發(fā)生。基于此，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了磷酸酯系列添加劑，以及復(fù)合型添加劑等對(duì)電池電解液、正極、負(fù)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?zé)崾Э匕l(fā)生的自由基捕獲阻燃機(jī)理。一步步的發(fā)現(xiàn)讓團(tuán)隊(duì)的人員信心大增，接著，團(tuán)隊(duì)又研發(fā)了鋰離子電池本質(zhì)安全型電解液，在這個(gè)研究過(guò)程中，進(jìn)一步探索了本質(zhì)安全型鋰離子電池體系。添加阻燃劑后，電解液在高溫時(shí)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(duì)全電池的電化學(xué)性能幾乎沒(méi)有影響，從而初步解決了鋰離子電池的安全性與電化學(xué)性能不兼容的矛盾，提高了電池的本質(zhì)安全性。對(duì)鋰離子電池的火災(zāi)危險(xiǎn)性研究發(fā)現(xiàn)，電池發(fā)生火災(zāi)時(shí)會(huì)出現(xiàn)多次射流火現(xiàn)象，而現(xiàn)有消防裝備和設(shè)計(jì)均為一次滅火，因此，電池的特有火災(zāi)現(xiàn)象對(duì)消防設(shè)計(jì)是一大技術(shù)挑戰(zhàn)。針對(duì)鋰系電池消防難題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出了鋰離子電池系統(tǒng)的三級(jí)溫度控制策略，并首次設(shè)計(jì)出具備二次滅火功能的消防設(shè)計(jì)方案，即兩套滅火裝置共用一個(gè)消防柜，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)電池儲(chǔ)能單元的滅火保護(hù)，兩套滅火裝置相互獨(dú)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(shù)難題，不僅是一種智能、高效的消防裝置設(shè)計(jì)方法，同時(shí)進(jìn)一步發(fā)展完善了火災(zāi)防治技術(shù)。

為社會(huì)帶來(lái)更加安全的環(huán)境近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)新能源汽車蓬勃發(fā)展的背景下，汽車由燃油轉(zhuǎn)向“燃電”，鋰離子電池作為目前最優(yōu)的動(dòng)力來(lái)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(wàn)輛，保守估計(jì)，到2020年，新能源乘用車保有量將突破380萬(wàn)臺(tái)，新能源總保有量有望突破500萬(wàn)輛。截至2018年9月底，全球已投運(yùn)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為4037.6MW，其中我國(guó)裝機(jī)規(guī)模已達(dá)649.7MW。據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年，我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模將達(dá)2GW。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)十余年的探索，在鋰離子電池的本質(zhì)安全技術(shù)、火災(zāi)爆炸預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)以及消防控制技術(shù)等方面取得突破性和原創(chuàng)性進(jìn)展。研發(fā)的鋰離子電池安全電解液在電池企業(yè)得到應(yīng)用，提高了電池的本質(zhì)安全，降低了電池的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，使其順利通過(guò)安全國(guó)標(biāo)GB/T 31485―2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》的檢測(cè)。開發(fā)的多級(jí)安全防控技術(shù)“填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)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(shù)保障。令人欣慰的是，鋰離子電池溫控策略、消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的研究成果已成功應(yīng)用于南方電網(wǎng)某電池儲(chǔ)能站，目前已安全運(yùn)行5年，充分發(fā)揮了持續(xù)安全供電功能，項(xiàng)目成果的應(yīng)用產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。