隨著手機(jī)、電動(dòng)汽車的普及，鋰電池在人們的生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，鋰電池固有的熱失控所引發(fā)的電動(dòng)車、儲(chǔ)能電站起火爆炸事故，也讓鋰電池安全成了一個(gè)不容忽視的問題。這也是鋰電池行業(yè)長期面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。
在日前召開的四川省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，電子科技大學(xué)向勇教授團(tuán)隊(duì)作為第一完成單位的“基于多場感知與自主阻燃的鋰電池安全管控關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目，獲得四川省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。“怎樣提高鋰電池的安全性，降低電池過熱爆炸風(fēng)險(xiǎn)，是一道必過的坎。”向勇說，為了過這道坎，他和團(tuán)隊(duì)探索奮斗十余年。
攻克鋰電池安全三大難題
“從2012年起，我們逐步研制開發(fā)了配套完善的電化學(xué)高通量表征平臺(tái)，在鋰電池電解質(zhì)、電極材料、封裝材料等研究上取得一系列成果。”向勇說，他和團(tuán)隊(duì)開始嘗試將電化學(xué)高通量表征技術(shù)應(yīng)用到鋰電池全生命周期安全性能動(dòng)態(tài)變化的研究，但在研發(fā)過程中，他們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的表征手段監(jiān)控的參量，不足以直觀反映鋰電池的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。
在向勇看來，鋰電池?zé)崾Э剡^程涉及制造瑕疵、老化劣化、管理失效、異常環(huán)境工況等因素，以及生產(chǎn)制造、存儲(chǔ)運(yùn)輸、服役使用等環(huán)節(jié)，諸多技術(shù)難題亟待攻克。
“解決鋰電池全生命周期安全管控主要有三個(gè)要攻克的難題。”向勇告訴科技日報(bào)記者，鋰電池?zé)崾Э貙?shí)時(shí)監(jiān)測是第一道難題，其難在不能在電池內(nèi)部埋置常規(guī)傳感器，只能依靠外部信號(hào)傳感來推測電池安全狀態(tài)，這就會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)不夠精確。
“鋰電池?zé)崾Э剡^程預(yù)警防護(hù)是第二道難題。”向勇說，鋰電池?zé)崾Э睾蟛扇〉拇胧┩ǔＪ?ldquo;一刀切”，即關(guān)閉整個(gè)電源系統(tǒng)，這種措施無法從根本上杜絕安全事故，且會(huì)損害電源系統(tǒng)服役可靠性。
“鋰電池起火后燃燒阻斷是第三道難題。”向勇說，鋰電池電解液中，有機(jī)溶劑受熱分解會(huì)產(chǎn)生易燃易爆成分，與氧氣混合后成為鋰電池起火爆炸的根源。因此，鋰電池一旦起火，燃燒阻斷難度極大。
厘清研發(fā)難題，選定研發(fā)方向后，向勇團(tuán)隊(duì)聯(lián)合四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院、四川省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢測院、中國鐵塔股份有限公司四川省分公司、西南石油大學(xué)等產(chǎn)學(xué)研用單位，圍繞鋰電池全生命周期安全狀態(tài)的監(jiān)測與管控展開了深入研究探索。在向勇牽頭抓總下，參研單位通力協(xié)作、聯(lián)合攻關(guān)，在理論研究、技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用推廣等領(lǐng)域各自發(fā)揮所長。
“我們研發(fā)成功了多參量薄膜傳感器與鋰電池集流體原位制備集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一體化集成，解決了傳感器‘埋得進(jìn)、測得準(zhǔn)、傳得出、影響小’的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。”向勇說，團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了人工智能電化學(xué)對抗遷移學(xué)習(xí)專用算法，結(jié)合前期開發(fā)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)模型，一舉把故障電池識(shí)別準(zhǔn)確度提升到了98.6%；自主開發(fā)的高通量電解液配制與篩選技術(shù)及相關(guān)裝置，篩選效率提升100倍，實(shí)現(xiàn)了電解液阻燃性能與電化學(xué)性能的快速優(yōu)化。
2022年4月24日，以著名鋰電池專家吳鋒院士為組長的專家組對向勇團(tuán)隊(duì)研發(fā)的鋰電池安全系列技術(shù)成果進(jìn)行了評價(jià)。專家組一致認(rèn)為：“該成果屬國際前沿技術(shù)領(lǐng)域，指標(biāo)、模型預(yù)測精度和電解液自熄時(shí)間等方面均處于國際領(lǐng)先水平。”
累計(jì)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益超10億元
從2019年開始，中國鐵塔能源公司把項(xiàng)目成果應(yīng)用于中國鐵塔通信基站電源系統(tǒng)，支撐實(shí)現(xiàn)了四川全省通信基站備電系統(tǒng)逾50萬組鋰電池的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，預(yù)警鋰電池安全風(fēng)險(xiǎn)2萬余次，預(yù)警成功率100%，安全退服故障電池13000余只，排除火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)隱患1500余次，有力地保障了鐵塔通信基站無一例鋰電池?zé)崾Э厥鹿拾踩\(yùn)行。
上海空間電源研究所應(yīng)用這項(xiàng)成果很好地解決了鋰電池模組突發(fā)安全失效的問題。目前，這項(xiàng)技術(shù)已應(yīng)用于風(fēng)云四號(hào)02星、新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星等多個(gè)型號(hào)；四川長虹電源有限責(zé)任公司基于該項(xiàng)目成果開發(fā)出了電芯、配件高重量比、高密度集成特種電源。
2019年10月，湖北億緯動(dòng)力有限公司引入項(xiàng)目技術(shù)成果后，進(jìn)一步開發(fā)出鋰電池在線容量預(yù)測技術(shù)，并成功將新技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)有產(chǎn)線改造和新產(chǎn)線建設(shè)，有效提升了鋰電池產(chǎn)線生產(chǎn)能力。
向勇對記者表示，項(xiàng)目成果的推廣應(yīng)用，可助力研制出高安全、高可靠的新型鋰電池產(chǎn)品，同時(shí)消除生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，還可助力開發(fā)出新型鋰電池安全管理系統(tǒng)，提升鋰電池系統(tǒng)安全管控水平。“尤其對鋰電池用戶，能夠降低鋰電池?zé)崾Э厥鹿事?、減少災(zāi)害損失、節(jié)約運(yùn)維成本。”
數(shù)據(jù)顯示，自2019年3月以來，該項(xiàng)目成果已累計(jì)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益超10億元，并產(chǎn)生出廣泛的社會(huì)效益，為服務(wù)國家重大、重點(diǎn)工程發(fā)揮作用。
