毛焕宇:EV动力电池的“失效-安全”机制
发布时间:2016-05-27 13:50:00
关键词:CIBF2016电池材料

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图为苏州宇量电池有限公司毛焕宇博士

   毛焕宇:内短路也经常会引起电池爆炸。内短路是一个什么情形?先说一下我们公司,这个公司成立的时间不长,叫苏州宇电电池有限公司,离长海大概8、90里。我们这个厂占地117亩。

  为什么会有内短路?热的传递,然后再说一下怎么防止热传递的几个措施。的安全问题有一些过充、过放、过热,比方说漏液,这都会有安全的问题,电池外部短路都会引起安全问题。但是问题就是,这一些都能够用其他的方法来测试,来防止,只有一种方法,电子电芯的内短路我们是没有办法防止的。这个内短路目前既没有办法预测,也不可以防止,而且它的性质是什么样的?很多的这种电池的爆炸,在手机领域里面,在笔记本电脑里面有很多这种情况。这些基本上都是由于电池内短路引起的。这个是在3C里面用的情况。

  我们看看在动力电池里有没有内短路发生的问题?也有,最典型的就是波音787上面的电池发生内短路。这个已经由美国的运输安全局已经定性了,整个电池包就这么烧掉了,然后起火和浓烟,烧掉了5公斤的重量。

  电池内短路是怎么引起的?如果知道了起因以后我们要想办法防止,但是很不幸的是电池有很多的原因可以引起电池内短路,比如说电池的毛刺,隔膜的瑕疵,装备过程中的电极损坏,装备出错,出现内部混乱,还有电极不均匀造成局部的析锂,制造过程中的原因,还有一些其他的原因,我们也不知道,它的特点就是原因众多、防范混乱,无法预测。它在使用中间爆破,它出厂的时候你看不出来。

  当一个电池有内短路的时候,我们认为至今只有用Fail-Safe这个方法才可以防止电池的内短路。

  为什么要用这个Fail-Safe这个方法呢,假设一个电池爆炸了,旁边的就会受影响,再旁边的就会受影响,这就是Fail,如果我们采取某种措施,就是Fail-Safe,有一颗电芯爆炸了,它能够被周围的这些绝缘物给挡住,这样电池包就是安全的,这就是Fail-Safe。

  我们公司现在开发了一种技术,瞬间产生一个电池的内短路,使这个电池发生爆炸。这里有一颗电池摆在这里,现在我们要引发内短路,这个电池就爆炸了。有了这个技术,我们就可以在很多情况下做实验。

  下面一个实验是在氮气里面做的。氮气里面也是照样炸的,不会因为你外面是空气,里面是氮气它就不爆炸了,它不管的。

  我们把它放在油里是什么样的?我们放在油里面引发内短路,还是照样爆炸,也有火喷出来。不管你的外部情况怎么样,它是不管的,都是会发生爆炸的,只要有内短路。

  我们测量了电池的温度,我们在电池不同的部位来进行测试,我们电池是2680,26的直径,80的高度,是用三元材料做的,容量接近6Ah。

  你看一下,我们发现这个电池爆炸的温度,不管是中间还是边上,都在500多度,特别是顶部超过了600度,这么高的高温在一个电池里面很难不引起周围电池的爆炸。我们中间有一个电池发生爆炸了,实际情况是什么?引发以后就燃烧了,就炸了,又炸了,最后一个一个接着爆了,最后整个包就烧完了。

  我们为了更加了解这个性质,怎么能够防止电池的爆炸?我们做了6个电池的一个小模组。这是6个电池,每一个电池上面有一个传感器,我们来测量它的温度,把它放在铁箱子里面让它去爆炸。

  我们看看情况怎么样?这个电池是引爆的,紧接着引爆了以后又来了第二次,而且还有这么多火出来,紧接着还会来一次,这个过程是一个比较长的过程,这个视频很长,我把中间等的阶段给省掉了。中间是一个接一个,过一会儿又爆一个,过一会儿又爆一个这样子的。我们把这个温度记录下来,我们就可以看到,这些都是爆炸的电池,一个、两个、三个,一个一个接着爆,这是时间轴、这是温度。隔一段时间炸一个,隔一段时间炸一个,最后全部炸光,这是由于什么原因?是由于热的传导,从一个爆炸电池到另外一个电池热的传导。

  我们发现通过这个实验,我们把电池之间的距离进行改变,改变这个电池中的距离。我们离的很近,然后分开,再分开,这样子到了一定的距离的时候,我们再来做实验的时候会发现,只炸了一次。我们来看一下这个视频,不像刚才一样,是连续的炸。如果有足够的空间距离,就能够防止这个电池的热传递引起的连锁反应。

  我们再来看看它的温度。最高温度也没有超过100度,这是周围电池的,不是爆炸电池,爆炸电池已经到了差不多1000度了。周围的电池没有达到100度,这种情况、这个距离,我们认为就是一个安全距离,万一你的电池发生内短路的时候,你的电池包应该不会引起热的传递。

  另外一个办法,你不是把距离弄的很远吗!这个电池包的尺寸就很大,我们也有另外一个办法来进行防止,就是迅速移走后分散高热中心。爆炸那颗电池会产生很高的温度,我们在下面可以看到,如果把中心的热迅速移掉的话,也可以起到保护作用。

  这个是另外一个爆炸实验,我们是用尺子,一大把传感器来测量电池周围温度分布的情况,这个电池炸出来以后有很多的温度。我们利用传感器测量这个爆炸时候的温度。我们上面有一个十字架,隔一点距离量一次,隔一点距离量一次。我们可以发现,这个爆炸的中心的温度可以到1087度。这个实际温度可能爱高于1087度,因为有一些点没有采到。所以,最少也有1100度了。根据这个坐标我们就可以看到,离的远的地方就慢慢降低,在中心有一个很集中的一个热的空间。

  我们怎么来尽快的移走这个热呢?我们采取的方式是在这个电池的模组上设计一个烟道,任何电池发生爆炸都会通过这个烟道把高温的气体给移走。这是我们设计的一个模组。

  高温气体移走行不行?我们有一个实验证明给大家来看看,下面是国家电网大电池包的爆炸实验。这个里面装了大概6度多电,我们进行引爆,引爆以后也是开始冒烟,其中有一颗电池在箱体里面爆炸了。我们采取了有烟道的这种模组,所以这个电池是安全的。我们打开来看看,我这里要说一下,我们为了做这个实验,我们放了一块还原板,放在了电池的边上,就是靠在这些烟道上面,如果有烟出来了,他就会在上面做一个记号,就把这个地方给熏黑了,引爆以后就看它到底是不是从这里出来的,怎么分散的。

  我们把这一部分放大来看,在这个烟道出口的地方有一个个的方型,这个就是我们的烟道口,一个、两个、三个、四个、五个、六个,而且这个中心也分散了,分散以后这个热量就大量下降了,温度也会非常的低,才50几度,根本就不会引起任何的安全问题。这是按照我们设计的方式从我们需要的地方出来。这也是一个方法。

  另外一个方法,这个比较难做,来防止这个热扩散。我们做了一个实验装置,这个实验装置是测距离比较近的,如果不采取措施的话就会发生爆炸。把它放在一个箱体里面,我们把这些东西都浸在矿物油里面。我们做了一个箱子,就是刚才那种箱子,这里面用了2度半的电。这个实验的结果是什么?在油里面发生内短路爆炸,这是一个什么状况?有一个人出来了,弄的一样,好了,炸了。这说明内部的压力还是蛮大的。

  我们再测量一下它的温度,这个温度就非常的好了,哪怕是引爆电池的温度,我估计应该是在400多度,如果在空气里面应该会到1000多度。所以这个电池的温度也下降了,其他的电池来50度都不到。所以,在这种油里面,如果发生内短路的话,这个是可以很大程度的降低这个风险的。

  我的结论是这几个,在今天这个技术的状态下,你要用高能量的电池的话,我认为必须要有Fail-Safe的措施,磷酸铁锂是另外一回事儿,它不属于高能量密度的。我认为磷酸铁锂要做这种引爆电池我们根本做不出来,一定要有Fail-Safe的措施,否则没有别的办法。

  另外有三个方法可以防止这个热的传递,一个是保持足够的距离,一个是迅速移走这个热,另外一个,如果有条件的话也可以把它放在油里面。谢谢各位!

 

 

  提问:我想提一个问题,现在咱们这个工作都是在防止电池爆炸,但是一旦电池爆炸以后,你想过没有怎么灭火?用普遍的灭火剂是灭不掉的。

  毛焕宇:这个我们也做了,我们也有灭火弹的实验。灭火弹至今不成功。我的结论是没用。

  提问:因为什么原因?一般的灭火弹和灭火器是把氧气进行了隔绝。

  毛焕宇:不需要氧气。在油里面,在什么地方都可以炸。

  提问:现在的问题就是说,万一车子炸了怎么办?

  毛焕宇:你不可以让它炸,Fail-Safe。

  提问:万一炸了呢?

  毛焕宇:电池炸了但是不影响整车。

  提问:我估计还是要考虑一下,电池着火以后。

  毛焕宇:这是另外一个问题。

  提问:毛博你讲了非常实用的一些方法,你中间讲的距离是一种方法,距离肯定跟你单颗电池的能量有关,多大的电池、多远的距离就是安全的?

  毛焕宇:一个很好的问题,我们因为时间关系,很多实验没有拿出来。我们同时做了几个电池的引爆。在我这个系统里面,我这个距离,这么大的电池是可以的,但是并不等于在你的系统里面能够实现,所以你也要做实验来证明这个距离够了就可以了。我觉得大电池的距离要大的多,但是太大的距离也不可以,我们只好靠移走这个热量的这种方式来做。

  提问:您好!毛博士,我有一个小问题想请教一下,你刚才讲的内短路的时候,你是自己模拟这个系统来做,做的很多实验重复性都很好,但是你前面也提到一个问题,这个电池的内短路引起的原因有很多,你怎么把这个模拟装置做的更电池内短路的情况很接近?

  毛焕宇:怎么做的,你个问题提的很好,我也有答案,但是怎么做的,不好意思,我不可以讲,到合适的时候我也会公开这个技术。


稿件来源: 电池中国网
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