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【河北日报】锂离子电池爆炸,技术能制止吗?

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迈入电(dian)能源革命时代(dai),总不免担忧那一柄悬(xuan)在我(wo)们头上(shang)的“达(da)摩克(ke)利斯之(zhi)剑(jian)”——锂离(li)子(zi)电(dian)池(chi)的安全性。为什么(me)应用到电(dian)动车、储能电(dian)站,锂离(li)子(zi)电(dian)池(chi)发生了这么(me)多爆炸事故(gu)?记者就(jiu)此(ci)采访了有关专家。

大部分(fen)电动(dong)汽车事故(gu)缘于“自燃”

锂离子电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)发(fa)生爆炸(zha)事故(gu),其实有(you)(you)一个(ge)概(gai)(gai)率。有(you)(you)专家(jia)举例,比如某进口(kou)电(dian)(dian)(dian)动(dong)车所用的(de)(de)某进口(kou)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)号称事故(gu)概(gai)(gai)率仅为一千万分(fen)之一,但一辆(liang)车上(shang)要装(zhuang)8000只(zhi)这种电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi),相当于一千万只(zhi)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)能(neng)(neng)够装(zhuang)1250辆(liang)电(dian)(dian)(dian)动(dong)汽(qi)车。也就(jiu)是(shi)理论(lun)上(shang)1250辆(liang)电(dian)(dian)(dian)动(dong)汽(qi)车中,就(jiu)有(you)(you)一辆(liang)车里的(de)(de)某只(zhi)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)有(you)(you)可能(neng)(neng)会发(fa)生事故(gu)。若这个(ge)事故(gu)属于电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)燃烧(shao)或(huo)者爆炸(zha)级别(bie)的(de)(de)事故(gu),就(jiu)有(you)(you)可能(neng)(neng)引发(fa)其周围(wei)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)发(fa)生链式反应,进而造成(cheng)电(dian)(dian)(dian)动(dong)汽(qi)车燃烧(shao)的(de)(de)大事故(gu)。

为什(shen)么锂离子电池(chi)会燃烧甚(shen)至爆炸(zha)?

“锂离(li)子电池是一种含(han)能(neng)元器件,其主要由正极(ji)(ji)(ji)、负极(ji)(ji)(ji)、电解液和隔(ge)膜等(deng)组成。”爱游(you)戏app材料学院教授(shou)王波解释(shi),充电后其正极(ji)(ji)(ji)一般为过渡金属氧(yang)化物,具有较(jiao)强(qiang)(qiang)的(de)(de)氧(yang)化性(xing);负极(ji)(ji)(ji)则为内(nei)部嵌入大量锂的(de)(de)石墨,有极(ji)(ji)(ji)强(qiang)(qiang)的(de)(de)还原性(xing)。电解液一般为有机酯类,具有熔点低(di)、可(ke)燃(ran)等(deng)特点。由此可(ke)见,理论上锂离(li)子电池本(ben)征便(bian)可(ke)能(neng)发生高放(fang)热的(de)(de)氧(yang)化还原反(fan)应,且其内(nei)含(han)的(de)(de)可(ke)燃(ran)电解液也会助推此反(fan)应,带来燃(ran)烧甚至爆炸(zha)的(de)(de)后果(guo)。

根据近年(nian)来电动汽(qi)车事故(gu)场景统计,大部分(fen)事故(gu)都是由于“自(zi)燃”,包(bao)括静置(zhi)时(电池(chi)无充(chong)放电)、行(xing)驶(shi)时(电池(chi)放电)和(he)充(chong)电时;少部分(fen)是有外部热(re)源、碰撞(zhuang)和(he)控制电路(lu)失效时发生的事故(gu)。

“自燃(ran)”属于(yu)(yu)自发(fa)性热(re)(re)失(shi)控。王波介绍,热(re)(re)失(shi)控是由于(yu)(yu)锂(li)(li)离(li)子电(dian)(dian)池(chi)在发(fa)生(sheng)了(le)挤压变形(xing)、穿刺(ci)或者高温炙烤等(deng)导(dao)致(zhi)隔膜被破坏(huai)引发(fa)正(zheng)负极短(duan)路(lu),或者由于(yu)(yu)电(dian)(dian)池(chi)外部短(duan)路(lu),导(dao)致(zhi)锂(li)(li)离(li)子电(dian)(dian)池(chi)内部短(duan)时(shi)间(jian)内积累了(le)大量热(re)(re)量,引发(fa)正(zheng)负极活性物质和电(dian)(dian)解液等(deng)发(fa)生(sheng)分解,导(dao)致(zhi)锂(li)(li)离(li)子电(dian)(dian)池(chi)起(qi)火和爆炸,严重威胁使用者的生(sheng)命和财产安全。

据介绍(shao),随着锂电(dian)(dian)(dian)池能量密(mi)度(du)和电(dian)(dian)(dian)池容量的不(bu)断提升,锂电(dian)(dian)(dian)池在使用(yong)中往(wang)往(wang)都是(shi)(shi)由(you)数(shu)十只(zhi)(zhi)、数(shu)百只(zhi)(zhi)甚至(zhi)是(shi)(shi)数(shu)千只(zhi)(zhi)电(dian)(dian)(dian)池通过串(chuan)并联组成,如果其中的一只(zhi)(zhi)电(dian)(dian)(dian)池发生(sheng)热失控,就(jiu)可能会(hui)在电(dian)(dian)(dian)池组内蔓延,引起严重的后果。

威(wei)力会有多(duo)大(da)?有业内人(ren)士(shi)表示(shi),光从其储存电能(neng)的(de)(de)角度(du)(du)来说(shuo),150Wh/kg能(neng)量密(mi)度(du)(du)的(de)(de)普通锂离子电池的(de)(de)电能(neng),大(da)约是三硝基甲苯(TNT)炸药爆炸产生热量能(neng)量密(mi)度(du)(du)的(de)(de)1/10。

锂电池(chi)热失控难以(yi)预(yu)测(ce)

自发(fa)式的(de)热(re)失(shi)控是目前锂离子电池最大的(de)安全“焦虑”。王波(bo)说,这种危害最大的(de)自发(fa)式内短(duan)路是不能预测的(de)。

主要原因一是(shi)这个衰变到内短路过程十分(fen)缓(huan)(huan)慢且外(wai)界电(dian)压信(xin)号不(bu)明显,二是(shi)出事的(de)电(dian)池都(dou)在几分(fen)钟内直接进入破坏式的(de)热失控,电(dian)池全毁(hui),证据无法回溯,也使(shi)得(de)此领域研究进展缓(huan)(huan)慢。

此外,真正精确模拟自发(fa)式内(nei)短路的(de)过程,目(mu)前仍是一(yi)(yi)个(ge)(ge)难题。电池(chi)类似一(yi)(yi)个(ge)(ge)黑箱,尽管能用一(yi)(yi)些电化学谱学和原位(wei)CT的(de)技术手(shou)段(duan)从外部(bu)监控(kong)个(ge)(ge)别电池(chi)的(de)电化学反应与(yu)内(nei)部(bu)微(wei)观(guan)结构变化,但无法预(yu)测数千万只电池(chi)中(zhong)哪只会在(zai)数个(ge)(ge)月或数年后“猝死(si)”并对(dui)其全生命周期的(de)演(yan)变进行细致(zhi)研究。

但(dan)王波也表示,根(gen)据电(dian)(dian)池(chi)(chi)热失控前表征参数体系(xi),也可以(yi)进行早期的(de)热失控探测(ce)。采用多(duo)传感器(qi)融合技术(特征气体、烟雾、温度),结合非标锂电(dian)(dian)池(chi)(chi)热失控判(pan)断算法判(pan)断电(dian)(dian)池(chi)(chi)异常状态(SOC、温度、漏液),实时监控电(dian)(dian)池(chi)(chi)热失控阶(jie)段,实现锂电(dian)(dian)池(chi)(chi)热失控早期分级预(yu)(yu)警,对于故(gu)障电(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)位(wei)置能(neng)作出有效辨识,根(gen)据预(yu)(yu)警信息(xi)快速定位(wei)。

同(tong)时,科学(xue)家们也把目(mu)光投向(xiang)更多的新型材料。

“固(gu)态电(dian)(dian)池(chi)和钠(na)(na)电(dian)(dian)池(chi)是目前研究的新方(fang)向,固(gu)态电(dian)(dian)池(chi)未来可(ke)能(neng)(neng)取(qu)代(dai)锂电(dian)(dian)池(chi)用于电(dian)(dian)动汽(qi)车,钠(na)(na)电(dian)(dian)池(chi)未来可(ke)能(neng)(neng)取(qu)代(dai)锂电(dian)(dian)池(chi)用于储(chu)能(neng)(neng)。”王(wang)波说,固(gu)态电(dian)(dian)池(chi)将液(ye)态电(dian)(dian)解质替换为固(gu)态电(dian)(dian)解质,大大降低(di)热失控风险,实(shi)现更(geng)高的充放(fang)电(dian)(dian)功(gong)率;钠(na)(na)离子电(dian)(dian)池(chi)能(neng)(neng)量(liang)密度不(bu)佳,但它(ta)的化学性能(neng)(neng)相对稳定(ding),所以(yi)它(ta)对温(wen)(wen)度并不(bu)敏感,不(bu)容易形成锂枝晶那样(yang)坚(jian)硬的枝晶,在抗低(di)温(wen)(wen)和安全性上较同类别的锂离子电(dian)(dian)池(chi)也有明显(xian)的优势。

业内(nei)人士(shi)表示,根据我国(guo)能(neng)源(yuan)结构现状,电(dian)动(dong)汽车在我国(guo)中长期能(neng)源(yuan)战略与未来可持续发展(zhan)中具有重要地位。随着电(dian)池技术体(ti)系(xi)的(de)持续高(gao)速(su)发展(zhan),未来5-10年(nian),其(qi)可靠性与安全性必将(jiang)显著提升。

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