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毛煥宇:EV動力電池的“失效-安全”機制
2016-05-27 13:50:00
關鍵詞:CIBF2016鋰電池電池材料

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圖為蘇州宇量電池有限公司毛煥宇博士

   毛煥宇:內短路也經常會引起電池爆炸。內短路是一個什么情形?先說一下我們公司,這個公司成立的時間不長,叫蘇州宇電電池有限公司,離長海大概8、90里。我們這個廠占地117畝。

  為什么會有內短路?熱的傳遞,然后再說一下怎么防止熱傳遞的幾個措施。鋰電池的安全問題有一些過充、過放、過熱,比方說漏液,這都會有安全的問題,電池外部短路都會引起安全問題。但是問題就是,這一些都能夠用其他的方法來測試,來防止,只有一種方法,電子電芯的內短路我們是沒有辦法防止的。這個內短路目前既沒有辦法預測,也不可以防止,而且它的性質是什么樣的?很多的這種電池的爆炸,在手機領域里面,在筆記本電腦里面有很多這種情況。這些基本上都是由于電池內短路引起的。這個是在3C里面用的情況。

  我們看看在動力電池里有沒有內短路發生的問題?也有,最典型的就是波音787上面的電池發生內短路。這個已經由美國的運輸安全局已經定性了,整個電池包就這么燒掉了,然后起火和濃煙,燒掉了5公斤的重量。

  電池內短路是怎么引起的?如果知道了起因以后我們要想辦法防止,但是很不幸的是電池有很多的原因可以引起電池內短路,比如說電池的毛刺,隔膜的瑕疵,裝備過程中的電極損壞,裝備出錯,出現內部混亂,還有電極不均勻造成局部的析鋰,制造過程中的原因,還有一些其他的原因,我們也不知道,它的特點就是原因眾多、防范混亂,無法預測。它在使用中間爆破,它出廠的時候你看不出來。

  當一個電池有內短路的時候,我們認為至今只有用Fail-Safe這個方法才可以防止電池的內短路。

  為什么要用這個Fail-Safe這個方法呢,假設一個電池爆炸了,旁邊的就會受影響,再旁邊的就會受影響,這就是Fail,如果我們采取某種措施,就是Fail-Safe,有一顆電芯爆炸了,它能夠被周圍的這些絕緣物給擋住,這樣電池包就是安全的,這就是Fail-Safe。

  我們公司現在開發了一種技術,瞬間產生一個電池的內短路,使這個電池發生爆炸。這里有一顆電池擺在這里,現在我們要引發內短路,這個電池就爆炸了。有了這個技術,我們就可以在很多情況下做實驗。

  下面一個實驗是在氮氣里面做的。氮氣里面也是照樣炸的,不會因為你外面是空氣,里面是氮氣它就不爆炸了,它不管的。

  我們把它放在油里是什么樣的?我們放在油里面引發內短路,還是照樣爆炸,也有火噴出來。不管你的外部情況怎么樣,它是不管的,都是會發生爆炸的,只要有內短路。

  我們測量了電池的溫度,我們在電池不同的部位來進行測試,我們電池是2680,26的直徑,80的高度,是用三元材料做的,容量接近6Ah。

  你看一下,我們發現這個電池爆炸的溫度,不管是中間還是邊上,都在500多度,特別是頂部超過了600度,這么高的高溫在一個電池里面很難不引起周圍電池的爆炸。我們中間有一個電池發生爆炸了,實際情況是什么?引發以后就燃燒了,就炸了,又炸了,最后一個一個接著爆了,最后整個包就燒完了。

  我們為了更加了解這個性質,怎么能夠防止電池的爆炸?我們做了6個電池的一個小模組。這是6個電池,每一個電池上面有一個傳感器,我們來測量它的溫度,把它放在鐵箱子里面讓它去爆炸。

  我們看看情況怎么樣?這個電池是引爆的,緊接著引爆了以后又來了第二次,而且還有這么多火出來,緊接著還會來一次,這個過程是一個比較長的過程,這個視頻很長,我把中間等的階段給省掉了。中間是一個接一個,過一會兒又爆一個,過一會兒又爆一個這樣子的。我們把這個溫度記錄下來,我們就可以看到,這些都是爆炸的電池,一個、兩個、三個,一個一個接著爆,這是時間軸、這是溫度。隔一段時間炸一個,隔一段時間炸一個,最后全部炸光,這是由于什么原因?是由于熱的傳導,從一個爆炸電池到另外一個電池熱的傳導。

  我們發現通過這個實驗,我們把電池之間的距離進行改變,改變這個電池中的距離。我們離的很近,然后分開,再分開,這樣子到了一定的距離的時候,我們再來做實驗的時候會發現,只炸了一次。我們來看一下這個視頻,不像剛才一樣,是連續的炸。如果有足夠的空間距離,就能夠防止這個電池的熱傳遞引起的連鎖反應。

  我們再來看看它的溫度。最高溫度也沒有超過100度,這是周圍電池的,不是爆炸電池,爆炸電池已經到了差不多1000度了。周圍的電池沒有達到100度,這種情況、這個距離,我們認為就是一個安全距離,萬一你的電池發生內短路的時候,你的電池包應該不會引起熱的傳遞。

  另外一個辦法,你不是把距離弄的很遠嗎!這個電池包的尺寸就很大,我們也有另外一個辦法來進行防止,就是迅速移走后分散高熱中心。爆炸那顆電池會產生很高的溫度,我們在下面可以看到,如果把中心的熱迅速移掉的話,也可以起到保護作用。

  這個是另外一個爆炸實驗,我們是用尺子,一大把傳感器來測量電池周圍溫度分布的情況,這個電池炸出來以后有很多的溫度。我們利用傳感器測量這個爆炸時候的溫度。我們上面有一個十字架,隔一點距離量一次,隔一點距離量一次。我們可以發現,這個爆炸的中心的溫度可以到1087度。這個實際溫度可能愛高于1087度,因為有一些點沒有采到。所以,最少也有1100度了。根據這個坐標我們就可以看到,離的遠的地方就慢慢降低,在中心有一個很集中的一個熱的空間。

  我們怎么來盡快的移走這個熱呢?我們采取的方式是在這個電池的模組上設計一個煙道,任何電池發生爆炸都會通過這個煙道把高溫的氣體給移走。這是我們設計的一個模組。

  高溫氣體移走行不行?我們有一個實驗證明給大家來看看,下面是國家電網大電池包的爆炸實驗。這個里面裝了大概6度多電,我們進行引爆,引爆以后也是開始冒煙,其中有一顆電池在箱體里面爆炸了。我們采取了有煙道的這種模組,所以這個電池是安全的。我們打開來看看,我這里要說一下,我們為了做這個實驗,我們放了一塊還原板,放在了電池的邊上,就是靠在這些煙道上面,如果有煙出來了,他就會在上面做一個記號,就把這個地方給熏黑了,引爆以后就看它到底是不是從這里出來的,怎么分散的。

  我們把這一部分放大來看,在這個煙道出口的地方有一個個的方型,這個就是我們的煙道口,一個、兩個、三個、四個、五個、六個,而且這個中心也分散了,分散以后這個熱量就大量下降了,溫度也會非常的低,才50幾度,根本就不會引起任何的安全問題。這是按照我們設計的方式從我們需要的地方出來。這也是一個方法。

  另外一個方法,這個比較難做,來防止這個熱擴散。我們做了一個實驗裝置,這個實驗裝置是測距離比較近的,如果不采取措施的話就會發生爆炸。把它放在一個箱體里面,我們把這些東西都浸在礦物油里面。我們做了一個箱子,就是剛才那種箱子,這里面用了2度半的電。這個實驗的結果是什么?在油里面發生內短路爆炸,這是一個什么狀況?有一個人出來了,弄的一樣,好了,炸了。這說明內部的壓力還是蠻大的。

  我們再測量一下它的溫度,這個溫度就非常的好了,哪怕是引爆電池的溫度,我估計應該是在400多度,如果在空氣里面應該會到1000多度。所以這個電池的溫度也下降了,其他的電池來50度都不到。所以,在這種油里面,如果發生內短路的話,這個是可以很大程度的降低這個風險的。

  我的結論是這幾個,在今天這個技術的狀態下,你要用高能量的電池的話,我認為必須要有Fail-Safe的措施,磷酸鐵鋰是另外一回事兒,它不屬于高能量密度的。我認為磷酸鐵鋰要做這種引爆電池我們根本做不出來,一定要有Fail-Safe的措施,否則沒有別的辦法。

  另外有三個方法可以防止這個熱的傳遞,一個是保持足夠的距離,一個是迅速移走這個熱,另外一個,如果有條件的話也可以把它放在油里面。謝謝各位!

 

 

  提問:我想提一個問題,現在咱們這個工作都是在防止電池爆炸,但是一旦電池爆炸以后,你想過沒有怎么滅火?用普遍的滅火劑是滅不掉的。

  毛煥宇:這個我們也做了,我們也有滅火彈的實驗。滅火彈至今不成功。我的結論是沒用。

  提問:因為什么原因?一般的滅火彈和滅火器是把氧氣進行了隔絕。

  毛煥宇:不需要氧氣。在油里面,在什么地方都可以炸。

  提問:現在的問題就是說,萬一車子炸了怎么辦?

  毛煥宇:你不可以讓它炸,Fail-Safe。

  提問:萬一炸了呢?

  毛煥宇:電池炸了但是不影響整車。

  提問:我估計還是要考慮一下,電池著火以后。

  毛煥宇:這是另外一個問題。

  提問:毛博你講了非常實用的一些方法,你中間講的距離是一種方法,距離肯定跟你單顆電池的能量有關,多大的電池、多遠的距離就是安全的?

  毛煥宇:一個很好的問題,我們因為時間關系,很多實驗沒有拿出來。我們同時做了幾個電池的引爆。在我這個系統里面,我這個距離,這么大的電池是可以的,但是并不等于在你的系統里面能夠實現,所以你也要做實驗來證明這個距離夠了就可以了。我覺得大電池的距離要大的多,但是太大的距離也不可以,我們只好靠移走這個熱量的這種方式來做。

  提問:您好!毛博士,我有一個小問題想請教一下,你剛才講的內短路的時候,你是自己模擬這個系統來做,做的很多實驗重復性都很好,但是你前面也提到一個問題,這個電池的內短路引起的原因有很多,你怎么把這個模擬裝置做的更電池內短路的情況很接近?

  毛煥宇:怎么做的,你個問題提的很好,我也有答案,但是怎么做的,不好意思,我不可以講,到合適的時候我也會公開這個技術。


稿件來源: 電池中國網
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