今年以來，已經發(fā)生了多起電動汽車起火事故，熱失控成為影響動力鋰電池安全的阿喀琉斯之踵。動力鋰電池的比能量越來越高，如何有效提升動力鋰電池的安全性？

在剛剛結束不久的2018第二屆全球未來出行大會上，我國科學院院士、我國電動汽車百人會執(zhí)行副理事長歐陽明高發(fā)表了對動力鋰電池安全性方面的看法。他對引起電池安全的熱失控問題進行了深入解讀，并提出了解決問題的方法和政策方面的建議。以下內容為摘選的演講實錄（內容較長有少許刪減）。

根據我國新能源汽車動力鋰電池比能量發(fā)展的趨勢，我們很快就會向300瓦時／公斤的高比能量電池邁進，很快這些產品就會進入市場，就是所謂的高鎳三元811電池很快就會進入市場，這些高比能量的電池會比原先的這些相對低的比能量的電池所面對的安全技術的要求會更高。在這方面，我們清華大學專門建了電池安全實驗室開展相關的基礎研究和技術開發(fā)，在這里給大家簡單的介紹一下研發(fā)結果，供大家參考。

目前清華大學電池安全實驗室跟國內外公司和研究機構開展了廣泛的合作，包括寶馬、奔馳、日產等大公司。

熱失控成為是動力鋰電池安全最關鍵的環(huán)節(jié)

研究重點是在熱失控的三個方面，一是熱失控的誘因，包括熱、電、機械的原因。二是熱失控發(fā)生的機理究竟是什么，從而在材料設計層面加以防護。三是熱蔓延，一旦單體電池防止不了熱失控，就得有二次防護手段，就是在系統(tǒng)層面要切斷熱失控的蔓延，只要切斷蔓延就可以防止事故。我們對高比能量電池的熱失控控制，不僅靠材料本身，還要從系統(tǒng)層面來進行。

首先是有關熱失控的發(fā)生機理與抑制。我們從兩個實驗手段上開展，一個是從事材料熱穩(wěn)定性研究的差示掃描量熱儀，一個是電池單體熱失控測量的加速量熱儀。

高比能量電池熱失控的幾個特點溫度。一般來說，當電池溫度升高到一定程度，電池就會自產熱，我們把這個溫度叫T1，產熱發(fā)生到一定程度無法抑制，熱失控觸發(fā)，叫T2，最后溫度上升到最高點我們叫T3。熱失控機理不清楚的重要是發(fā)生在T2到T3階段。一般認為是內短路造成的，對常規(guī)電池的確是這樣，但是我們在研究中發(fā)現(xiàn)對高比能量不完全是這樣。我們發(fā)現(xiàn)沒有內短路，照樣有熱失控。這是因為高比能量電池的耐高溫新型隔膜到200度以上沒有變化，電解液基本完全蒸發(fā)了，但在230－250度時，正極材料相變放出的氧與負極反應出現(xiàn)了放熱高峰。

另外我們看一下各種不同鎳含量的三元鋰離子電池的差異。811電池跟現(xiàn)在常用的622或者532相比，811的放熱峰明顯的都比其它高很多，表明811的熱穩(wěn)定性較差。經過分析我們得到的初步結論是，高鎳正極對全電池安全有較大的影響，硅炭負極對安全在初期影響不大，但是在循環(huán)衰減后影響比較大。

應對這種熱穩(wěn)定差也有一系列的改進途徑，比如說材料的包覆等，我們還發(fā)現(xiàn)了一個新的方法，就是用單晶顆粒來替代多晶的正極材料，電池的熱穩(wěn)定性有非常好的改善，相應的安全性也有很好的改善。

熱蔓延是電池起火的幫兇

第二就是熱蔓延，真正的事故是熱蔓延導致的，就是一個電池單體熱失控之后，所有電池包全部蔓延起來，著火事故就發(fā)生了。

根據我們對熱失控蔓延過程的測試和仿真的傳熱分析，設計了一種隔熱的方法，就是在主導傳熱的路徑上加隔熱材料，實驗發(fā)現(xiàn)確實達到了隔斷熱失控蔓延的效果。這種防火墻技術已經在我國倡導的國際電動汽車熱失控蔓延的法規(guī)中得到采納。

熱失控是如何出現(xiàn)的？

第三個方面，是熱失控的誘因和電池管理。第一個誘因就是內短路，對在用電池和事故電池的分析發(fā)現(xiàn)，電池制造時均勻的極片在使用一段時間之后會出現(xiàn)折疊區(qū)域的破裂，容易發(fā)生局部的析鋰，從而導致熱失控。另外就是制造過程中的雜質也會引起內部的短路，我們把這個叫電池的癌癥，因為不了解它什么時候誘發(fā)熱失控，有時候往往會經歷很長時間之后出現(xiàn)內短路。為此我們發(fā)明了電池內短路的一個替代實驗方法，通過在一個特定電池里面植入記憶合金實現(xiàn)預期的內短路。

我們研究之后把內短路分成了四類，其中鋁集流體和負極相連是最危險的內短路。也是必須要提前預警的，為此我們做了一系列的研究，并獲得了內短路的三階段演變過程。第一階段，只有電壓的下調，沒有溫度的上升；第二階段才有溫度的上升，第三階段才發(fā)生急劇的溫度上升現(xiàn)象，也就是熱失控。根據這個演變過程，我們爭取在前兩個階段把內短路判別出來，就可以提前15分鐘將可能引發(fā)熱失控的內短路預警出來，這一技術已經與寧德時代進行了合作。

第二個方面就是充電，我們通過測試分析搞清了過充熱失控機理，在此基礎上，通過熱電耦合模型來預測電池過充熱失控的表現(xiàn)。過充事故一般是微過充，比如電池的不一致性導致的，因為不一致，充電過程中有的地方已經充滿了，有的地方還沒有充滿，就會導致有一些充滿的電池微過充，接著就會在負極材料上析鋰，出現(xiàn)鋰枝晶，就是所謂的析鋰，導致安全性變差，導致短路。

為了解決這一問題，我們開發(fā)了基于參比電極的無析鋰快充技術，把負極的電位控制在零以上（零以下會析鋰），這要新增一個電極，即三電極。在三電極基礎上，可以基于模型進行反饋和觀察，這就是我們的無析鋰快充技術，這種技術應用之后就沒有析鋰發(fā)生，而且充電速度加快。

第三個原因是老化。電池老化后的不一致性會擴大，這就是電池循環(huán)次數(shù)的新增不一致性會變得越來越大的原因，而隨著容量一致性變差，電池管理的精確性也就很差。另外，低溫環(huán)境下的老化會嚴重影響電池的熱穩(wěn)定性，發(fā)生熱失控的自生熱溫度會降低，這就更容易導致熱失控。

全固態(tài)電池有望解決電池安全難題

通過對這些問題的分析，我們發(fā)現(xiàn)保障電池系統(tǒng)安全性的核心是研發(fā)先進的電池管理系統(tǒng)。目前，在電池管理系統(tǒng)方面，國內的產品的功能不足、精度不夠，尤其是安全功能不全，因此要加大電池管理系統(tǒng)的研發(fā)力度。清華在電池管理系統(tǒng)的積淀比較豐富，已經獲得65項專利授權，這些專利在國內外著名公司合作中得到了應用，其中部分專利也授權給了奔馳汽車公司。

那么我們如何徹底解決電池安全性問題？近期可以通過一些技術來保障安全性，但是長遠看，要保障電池的絕對安全就要前瞻性的科學研究。鋰離子動力鋰電池高比能是全世界范圍的發(fā)展方向和趨勢，我們不能因為有安全問題就不發(fā)展高比能量電池，關鍵是把握高比能量與安全性之間的平衡點。比如高鎳三元鋰離子動力鋰電池的本征安全問題，其機理是正極會釋放氧，我們可以通過界面的修飾來延緩正極釋氧，提高穩(wěn)定性；再一個就是開發(fā)下一代的固態(tài)電解質，從根本上解決電解液燃燒的問題。

基于各國動力鋰電池技術路線的比較，短時間是液態(tài)電解液的鋰離子電池，下一步將會向固態(tài)電池方向發(fā)展。綜合考慮電池成本和動力鋰電池的發(fā)展方向，我們建議我國也應該走類似的路徑，即短時間是液態(tài)電解質，發(fā)展高鎳三元正極和硅炭負極，通過電池管理系統(tǒng)和熱蔓延的抑制來防止安全事故發(fā)生，這類電池能夠滿足電動汽車500公里續(xù)駛里程的要求。中長期，從液態(tài)電解質逐步過渡到全固態(tài)電池，估計在2030年全固態(tài)電池將會得到產業(yè)化應用。

總之，我們要力爭解決動力鋰電池本征安全問題，保障新能源汽車行業(yè)的健康發(fā)展。對我的報告的總結，可以歸納為：我們要正確看待近期新能源汽車起火的事件，其重要原因是產品質量問題，沒有遵守技術規(guī)范和技術標準、技術驗證周期偏短等等。

政策方面的建議

第一，原有的產業(yè)化目標（2020年單體達到350瓦時／公斤，系統(tǒng)260瓦時／公斤，循環(huán)壽命2000次）是偏高的，從安全角度考慮，我認為不宜強行推行。

第二，補貼政策要符合技術發(fā)展的規(guī)律，對能量密度的提升不宜過快、不宜更改過頻，這是我對財政部的建議。

第三，盡快推出電動汽車安全年檢規(guī)范。同時，為了更好處理和分析電動汽車事故，最好有電動汽車黑匣子，同時電池包要留有消防安全的接口，目前的電池包封的很死，導致消防滅火的時候困難重重，這些是對公安部的建議。

最后，我覺得電池安全是電池技術革命性突破的第一重點，也是純電動汽車性能提升的第一關鍵，電池產業(yè)發(fā)展越后期電池安全就越變成一個瓶頸技術，比如十分鐘充300公里以上的電的快充技術，會對電池安全帶來挑戰(zhàn)，電壓從300V提高到600V甚至800V，這些都與安全相關，也是今后純電動汽車競爭的主戰(zhàn)場?？梢哉f安全是電動汽車可持續(xù)發(fā)展的生命線，動力鋰電池國家科技研發(fā)要以安全為核心，全面提升現(xiàn)有鋰離子動力鋰電池系統(tǒng)安全技術，全力突破新型固態(tài)電池技術。