電池安全助力電動(dòng)汽車與儲(chǔ)能電站安全運(yùn)行
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編者按：我國電動(dòng)汽車市場正在不斷擴(kuò)大，然而，大眾對于電池汽車電池安全問題的擔(dān)憂依然普遍存在。如何理解電池安全？如何保障電池安全？本期我們邀請清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院馮旭寧老師為我們講解《電池安全助力電動(dòng)汽車與儲(chǔ)能電站安全運(yùn)行》。
2021年，我國電動(dòng)汽車銷量已超過300萬輛，儲(chǔ)能電站裝機(jī)量超過5GWh，且總量仍在高速增長。兩類產(chǎn)品的高速發(fā)展均受益于我國的能源低碳化鼓勵(lì)政策，得益于儲(chǔ)能用鋰離子電池成本的持續(xù)下降。然而，2021年發(fā)生電動(dòng)汽車火災(zāi)3000余起，“4·16”大紅門儲(chǔ)能電站事故造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，引發(fā)了對電池安全問題的社會(huì)性關(guān)注。
01
為什么大眾對儲(chǔ)能電站事故投以極高的關(guān)注？
新興技術(shù)和產(chǎn)品受到的公眾關(guān)注度高，對安全事故的容忍度一般較低。“4·16”儲(chǔ)能電站事故發(fā)生后，北京市全面停止了儲(chǔ)能電站的建設(shè)和使用。國內(nèi)已公開報(bào)道的儲(chǔ)能電站事故數(shù)量尚不足兩位數(shù)，就已經(jīng)對行業(yè)發(fā)展造成了影響。相比之下，年均3000余起的電動(dòng)汽車火災(zāi)，反而對汽車行業(yè)影響不大。
五年前，三元鋰離子電池剛開始裝備電動(dòng)汽車時(shí)，少量的起火事故引發(fā)了行業(yè)大討論，至今電動(dòng)客車上仍然禁止使用三元鋰離子電池。目前，我國儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)延續(xù)了電動(dòng)客車對三元鋰離子電池的禁用要求，大多采用磷酸鐵鋰電池進(jìn)行建設(shè)。
從安全科學(xué)的角度而言，安全意味著發(fā)生事故的概率是社會(huì)大眾可以接受的。傳統(tǒng)燃油車的自燃概率大約是萬分之一點(diǎn)五，而電動(dòng)汽車僅是傳統(tǒng)燃油車的五分之一。對于儲(chǔ)能電站而言，其安全建設(shè)目標(biāo)也應(yīng)在萬分之一以內(nèi)。
我們做個(gè)簡單的計(jì)算：一輛電動(dòng)汽車的車載電池約有一百度電，對應(yīng)一百節(jié)量級(jí)的電池；而一個(gè)儲(chǔ)能電站的電池可能有一萬度電，對應(yīng)一萬節(jié)量級(jí)的電池。如果儲(chǔ)能電站簡單地采用了車用電池，在每節(jié)電池自燃概率相同的條件下，就會(huì)算出當(dāng)前的車用電池技術(shù)無法保證儲(chǔ)能電站的事故概率也能控制在萬分之一以下。儲(chǔ)能電站應(yīng)遵循更嚴(yán)格的電池安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
02
制定嚴(yán)格的產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是降低事故概率最重要的措施。作為世貿(mào)組織成員國，中國標(biāo)準(zhǔn)與相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)保持一致。我國電動(dòng)汽車銷量世界第一，在國際標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)過程中，具有相當(dāng)?shù)脑捳Z權(quán)。經(jīng)過十余年的國際協(xié)作，車用電池的安全標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)初步建立，尤其是中國主導(dǎo)的電池系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)，為人員逃生留出了足夠的時(shí)間，為降低電動(dòng)汽車事故中的人員傷亡比例做出了重要貢獻(xiàn)。相應(yīng)地，儲(chǔ)能電站的安全標(biāo)準(zhǔn)體系仍在建設(shè)當(dāng)中，我國的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)均已進(jìn)入論證階段，將從明年開始發(fā)揮重要作用。
了解電池安全事故發(fā)生的原理，方能開發(fā)對癥下藥的安全技術(shù)。鋰離子電池的能量密度較高，其正極多采用電壓較高的過渡金屬氧化物材料，負(fù)極則采用電壓較低、還原性較強(qiáng)的含鋰材料。氧化物和還原劑在有限的空間內(nèi)堆放，就有條件發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)，并放出大量的熱量，該現(xiàn)象稱為電池的“熱失控”。
電池?zé)崾Э爻龑㈦姵販囟瓤焖偕咄?，還產(chǎn)生大量的可燃煙氣?？扇紵煔鈴碾姵貎?nèi)部泄放出來，在電池外部遇到足夠的空氣，滿足引燃條件后，進(jìn)一步發(fā)生燃燒甚至爆炸。“熱失控+燃燒”這一雙核失效機(jī)制，為電池安全防護(hù)技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。
03
過十余年攻關(guān)，我國已經(jīng)研發(fā)出系統(tǒng)性的電池安全防護(hù)技術(shù)，包括：本質(zhì)安全技術(shù)，主動(dòng)安全技術(shù)，被動(dòng)安全技術(shù)。
電池的本質(zhì)安全技術(shù)，即電池本身具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易發(fā)生熱失控，且熱失控后造成的危害較小。一般地，希望電池內(nèi)部熱化學(xué)反應(yīng)的起始溫度高一些，熱失控的觸發(fā)溫度也高一些，電池?zé)崾Э剡_(dá)到的最高溫度低一些。比如三元鋰離子電池的熱失控最高溫度可達(dá)1000℃，磷酸鐵鋰電池的熱失控最高溫度也就600℃，因此傾向于認(rèn)為磷酸鐵鋰電池的安全性更好一些。鋰離子電池普遍采用的液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)（簡稱“電解液”）為電池燃燒提供了燃料來源，從這點(diǎn)意義上來說，一節(jié)250Ah的磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池含有約1kg的電解液，其燃燒危害也不容小覷。
為從本質(zhì)上降低鋰離子電池的燃燒危害，科學(xué)家們正在開發(fā)采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池（簡稱“固態(tài)電池”）。不過，前提是固態(tài)電池的能量密度、壽命、成本等綜合指標(biāo)都能與液態(tài)電池競爭。目前，主要通過阻燃添加劑、高耐熱性隔膜等方式，調(diào)控正負(fù)極之間的氧化還原反應(yīng)。在電池能夠通過安全標(biāo)準(zhǔn)方面，這些低成本的方案起到了良好的效果。
電池的主動(dòng)安全技術(shù)，即主動(dòng)監(jiān)測電池安全狀態(tài)，控制電池在正常工作范圍內(nèi)運(yùn)行，出現(xiàn)異常及時(shí)預(yù)警或報(bào)警，并開展主動(dòng)安全處置。電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能電站都應(yīng)具有安全監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行有電池安全預(yù)警與報(bào)警算法。電池失效時(shí)通常伴隨有劇烈的聲、光、熱等現(xiàn)象，事故報(bào)警相對容易。而基于電池運(yùn)行數(shù)據(jù)對事故進(jìn)行預(yù)警的難度相對較大。
電池安全預(yù)警算法一般糾結(jié)于檢出率和誤報(bào)率兩個(gè)指標(biāo)，高檢出率一般意味著高誤報(bào)率。誤報(bào)率高的算法經(jīng)常引起監(jiān)控人員不堪其擾而關(guān)閉預(yù)警系統(tǒng)的事件，進(jìn)而導(dǎo)致重大安全事故。出現(xiàn)這類問題主要是因?yàn)閭鞲衅鞑杉男盘?hào)特征與電池內(nèi)部失效狀態(tài)并非一一對應(yīng)，需要基于模型進(jìn)行尋優(yōu)估計(jì)。還可以引入具有學(xué)習(xí)功能的人工智能技術(shù)，提升算法的檢出率。
合理地設(shè)定模型參數(shù)和預(yù)警閾值，取決于工程師對電池失效機(jī)理的認(rèn)識(shí)水平，也是儲(chǔ)能電池產(chǎn)品的核心競爭力之一。定期使用專用設(shè)備以及標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)維流程開展儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的健康體檢，對于及時(shí)檢出故障也是有必要的。發(fā)生預(yù)警事件之后，可以基于監(jiān)控平臺(tái)聯(lián)動(dòng)消防等機(jī)制進(jìn)行處理，用戶知情后可以考慮是否更換故障電池。國家標(biāo)準(zhǔn)中要求電動(dòng)汽車具有預(yù)警和報(bào)警功能，并且按特定的格式上傳數(shù)據(jù)到監(jiān)管平臺(tái)。儲(chǔ)能電站相關(guān)的國家級(jí)數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺(tái)正在建設(shè)當(dāng)中。
電池的被動(dòng)安全技術(shù)，即在事故發(fā)生后設(shè)置防護(hù)機(jī)制，使得單節(jié)電池的問題得到限制，不會(huì)擴(kuò)散到相鄰電池。保障人的生命和健康是安全設(shè)計(jì)的底線，被動(dòng)安全技術(shù)的首要設(shè)計(jì)思路即——假定會(huì)有電池發(fā)生問題，在問題發(fā)生后，設(shè)置相應(yīng)的機(jī)制延緩電池失效的擴(kuò)散速度，降低次生災(zāi)害，保障人員及時(shí)逃生。
車用電池系統(tǒng)和儲(chǔ)能電站的電池簇中，電池堆疊密度都比較高。車用電池系統(tǒng)以平面堆疊方式為主，抑制失效擴(kuò)散主要通過設(shè)置隔熱層實(shí)現(xiàn)。儲(chǔ)能電站的電池簇以立體式堆疊為主，抑制失效擴(kuò)散還需要考慮高度方向的熱阻隔。熱阻隔需要配合散熱降溫才能取得理想的效果，導(dǎo)流降溫有助于減少熱量在電池系統(tǒng)內(nèi)的聚集。對隔熱層復(fù)合相變材料增加吸熱功能，可以取得更好的擴(kuò)散抑制效果。
除熱阻隔之外，電池失效引發(fā)的結(jié)構(gòu)移位以及導(dǎo)電煙氣的擴(kuò)散都可能造成高壓電氣系統(tǒng)短路拉弧。電弧溫度可達(dá)數(shù)千攝氏度，將進(jìn)一步破壞既定的防護(hù)結(jié)構(gòu)，是一個(gè)需要特殊考慮的問題。為了應(yīng)對電池系統(tǒng)起火的可能情況，消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要同時(shí)考慮隔熱、降溫、煙氣導(dǎo)流、抑弧等電池系統(tǒng)失效特有的因素。
上述三大安全技術(shù)相結(jié)合的安全標(biāo)準(zhǔn)體系，使得鋰離子電池及其系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定，支撐了電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能電站的安全運(yùn)行。在我國邁向“2030碳達(dá)峰”、“2060碳中和”的征程中，電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能電站也必將扮演更加重要的角色。
