進入2019年，電動汽車自燃起火事故頻發(fā)，矛頭直指動力電池。據(jù)不完全統(tǒng)計，根據(jù)國內(nèi)外媒體所報道和動力電池相關(guān)的電動汽車安全事故目前統(tǒng)計已達40余起。這一數(shù)據(jù)在新能源汽車國家大數(shù)據(jù)平臺顯示更多，根據(jù)《新能源汽車國家監(jiān)管平臺大數(shù)據(jù)安全監(jiān)管成果報告》顯示，自2019年5月起，新能源汽車國家監(jiān)管平臺共發(fā)現(xiàn)79起安全事故，涉及車輛96輛。其中，47輛事故車輛接入國家監(jiān)管平臺，28起事故在發(fā)生前10天內(nèi)國家監(jiān)管平臺已進行預(yù)警提醒。

動力電池安全已經(jīng)成為新能源汽車發(fā)展之瓶頸，為應(yīng)對電池安全這一全球重大挑戰(zhàn)，推動電池安全領(lǐng)域的國際合作，2019年10月7日，由清華大學(xué)電池安全實驗室主辦，以“為電動汽車制造更安全的高比能電池”為主題的第三屆國際電池安全研討會在北京召開。

大會中，中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽明高對電池?zé)崾Э氐娜齻€特征溫度和發(fā)生機理以及熱失控和熱蔓延的控制研究進展進行了專題報告。

歐陽明高指出，經(jīng)過大量實驗研究，總結(jié)出了電池?zé)崾Э氐娜齻€特征溫度，自生熱起始溫度 T1，熱失控引發(fā)溫度 T2、熱失控最高溫度 T3。其中T2是最為關(guān)鍵的，正極釋氧、負極析鋰、隔膜崩潰三個原因是最終引發(fā)熱失控形成T2的主因。

而抑制熱失控則可以從四個方向入手，第一，內(nèi)短路和控制內(nèi)短路的方法，即BMS；第二，正極析氧引發(fā)的熱失控和電池的熱設(shè)計；第三，負極析鋰跟電解液的劇烈反應(yīng)導(dǎo)致的熱失控以及充電控制；第四，抑制熱蔓延，通過了解熱蔓延的規(guī)律，把熱蔓延抑制住，可最終防止安全事故的發(fā)生。

以下為歐陽明高演講實錄（內(nèi)容有刪減）：

女士們，先生們，大家早上好!我來自于清華大學(xué)。

首先介紹一下我們清華大學(xué)新能源動力系統(tǒng)課題組，我們從2001年以來，是國家新能源汽車重點專項主要的研發(fā)團隊，也是中美清潔能源汽車合作中方的牽頭團隊。我們團隊主要有幾個方面的研究，包括動力電池、燃料電池和混合動力。在動力電池方面，我們主要是做安全性;在燃料電池方面，我們主要是做耐久性;在混合動力方面，我們主要是做內(nèi)燃機的排放控制。所以這是我們主要的三個聚焦點。今天我給大家主要介紹我們在安全性方面的研究結(jié)果。清華大學(xué)電池安全實驗室在2009年創(chuàng)立，重點就是做電池安全性，具體來說就是電池的熱失控，下面我給大家介紹我們在熱失控方面的研究進展。

大家知道，安全是現(xiàn)在電動汽車重點關(guān)注的問題，有各種原因引起安全的事故。一旦在一個電池中誘發(fā)了熱失控之后，會在整個電池系統(tǒng)中間蔓延，最后形成事故。

這是我們在電池安全方面的一些合作伙伴，包括國際上主要的汽車廠商和主要的電池廠商、以及國內(nèi)的主要汽車廠商和主要的電池廠商，我們也向國內(nèi)外公司許可知識產(chǎn)權(quán)專利技術(shù)等等。

這是我們電池安全實驗室，昨天很多參會代表已經(jīng)參觀過我們的實驗室，歡迎大家去參觀交流。

在我們電池安全實驗室有一系列的測試手段，其中比較有特色的就是用ARC對熱失控進行絕熱的熱失控實驗，我們是全球率先對大容量動力電池進行ARC實驗的單位。

經(jīng)過大量實驗研究，我們總結(jié)出了電池?zé)崾Э氐娜齻€特征溫度，自生熱起始溫度T1，熱失控引發(fā)溫度T2、熱失控最高溫度T3，我們也做過很多類型的動力電池測試，都符合這個規(guī)律。其中T2又是最關(guān)鍵的，什么反應(yīng)T1大家都是比較清楚的，一般是SEI膜開始的，T3取決于整個反應(yīng)焓，T2還不是很清楚，但也是最關(guān)鍵的，為什么由一個緩慢的升熱會突然引發(fā)急劇的升熱，而且升熱速率可以達到1000度/秒甚至以上，這才是引發(fā)熱失控的關(guān)鍵。所以通過對T2的探究我們發(fā)現(xiàn)有三個主要的原因，第一個大家比較清楚的就是內(nèi)短路，它最終是跟隔膜相關(guān)的，就是正負極內(nèi)短路。還有我們新闡釋的正極材料釋氧、負極的析鋰，總結(jié)下來就是正極釋氧、負極析鋰、隔膜崩潰，這三個原因是最終引發(fā)熱失控形成T2的主因。

下面我分別針對前面講到的三種機理給大家介紹我們在機理方面的以及熱失控控制的進展，包括，第一，內(nèi)短路和我們控制內(nèi)短路的方法，就是BMS。第二，正極釋氧引發(fā)的熱失控和電池的熱設(shè)計。第三，負極析鋰跟電解液的劇烈反應(yīng)導(dǎo)致的熱失控以及我們的充電控制。如果這三個機理、三種技術(shù)都不能解決熱失控問題，我們還有最后一招，就是抑制熱蔓延，我們要了解熱蔓延的規(guī)律，同時把熱蔓延抑制住，最終防止安全事故的發(fā)生。

下面我就這四個方面給大家介紹：

第一，內(nèi)短路和BMS。比較清楚的是機械的原因，比如碰撞，機械方式，最后是隔膜的撕裂，或者是電的原因，充電過充，枝晶析鋰、枝晶刺破隔膜，或者是過熱，當(dāng)然最終都會到過熱，過熱會導(dǎo)致隔膜的崩潰，所有的原因都跟內(nèi)短路有關(guān)，只不過是內(nèi)短路的程度不一樣、演變的過程不一樣，但是最后都會到隔膜崩潰和隔膜熔化。所以我們利用加熱量熱儀和DSC兩種聯(lián)合起來，一個是從材料的放熱來解釋它的機理，一個是從加熱量熱對整個單電池進行熱失控實驗，把熱失控的實驗跟材料放熱特性聯(lián)合起來分析，這就是我們常規(guī)的過熱之后熱失控的機理。我們可以看出，隔膜的熔化會導(dǎo)致內(nèi)短路，升溫開始，到隔膜崩潰就會形成T2，直接引發(fā)熱失控，這就是一種較為普遍的原因。我們還使用了很多其他的輔助手段，包括各種材料分析手段，還有熱重和質(zhì)譜聯(lián)用的方式，來進行各種物質(zhì)的分析。

這是我們一套基本的分析方法，可以對各種電池、各種機理進行分析。

這是第一種，也是大家相對比較熟悉的一種熱失控的產(chǎn)生方法，不管怎么說，我們從設(shè)計角度當(dāng)然可以做很多工作，比方隔膜不太要薄、強度要夠等等，但是中間有一個共性的問題是內(nèi)短路，所以我們必須防止內(nèi)短路，我們要研究內(nèi)短路，內(nèi)短路的實驗相對來說是比較復(fù)雜的，沒有成熟的規(guī)范的方法，所以我們發(fā)明了一種新的方法，就是用記憶合金植入電池，加熱到一定溫度，讓記憶合金的銳利的尖角翹起，觸發(fā)熱失控。

從文獻和我們自己的研究發(fā)現(xiàn)，主要的內(nèi)短路有四種類型，有些內(nèi)短路可以立即引發(fā)熱失控，但是有些內(nèi)短路是緩慢演變的，有些內(nèi)短路可能就不危險，但有些內(nèi)短路在演變之后會很危險，還有一些內(nèi)短路是一直緩變，還有一些內(nèi)短路從緩變到突變，有各種各樣的類型。為此我們也進行了一些仿真的分析，我在這里不詳細介紹了。

總之，我們最后發(fā)現(xiàn)了，對于演變型內(nèi)短路的演變規(guī)律，是電壓下降，第一個過程主要是電壓下降。到第二個部分才會有溫升，最后形成熱失控。所以對于這種緩變的，我們應(yīng)該在它的第一個過程，就是電壓下降階段就要把它檢測出來進行故障診斷，把它挑出來，來防止它的進一步惡化，這就是我們內(nèi)短路檢測的算法，這是對串聯(lián)電池組的算法，包括首先是從電壓的一致性來進行分析，某一個電池電壓下掉，說明這個電池有可能有內(nèi)短路。但還不能確認的話，我們再加入溫度，如果演變之后突變的話，我們再加入可燃氣體的傳感器，這樣對緩變和突變我們都有辦法。

舉例，其中比方說串聯(lián)電池組電壓的一致性辨識，具體算法我不介紹了，大家可以明顯看出，對電壓下掉的電芯可以明顯的看出來。

當(dāng)然我們需要進行一系列的工程方法，光有一個簡單算法是不夠的，還要加入很多工程的經(jīng)驗來進行判斷，這是要數(shù)據(jù)庫的，所以我們選擇跟企業(yè)合作?？傊?，我們從這個方面可以預(yù)警，對于突變型的，比如一個微短路，由于快充，因為我們充放電的過程中電池會有形變、會有應(yīng)變，會導(dǎo)致微短路突然的惡化，好比人體血管里面的斑塊，到一定時候突然血栓，如果我們僅用電壓和溫度是不夠的，因為太慢了，它是看不出來的，到你看出來的時候已經(jīng)熱失控了。怎么辦?我們就需要用這種氣體傳感器，它可以做到至少提前3分鐘進行熱失控預(yù)警?？傊?，我們基于這些算法開發(fā)以安全性為核心的新一代電池管理系統(tǒng)。

第二部分，就是我們剛才說的第二種機理，是不是只有內(nèi)短路才會引發(fā)熱失控呢?沒有內(nèi)短路就沒有熱失控嗎?其實不然，沒有內(nèi)短路照樣有熱失控。隨著隔膜的不斷增強，同時正極三元材料的鎳含量不斷提高，它的釋氧溫度不斷下降，就是正極材料熱穩(wěn)定性越來越差，但是我們隔膜會變得越來越好，這樣薄弱環(huán)節(jié)反而會慢慢的變?yōu)檎龢O材料。

這是我們做的實驗，沒有內(nèi)短路照樣有熱失控，我們把電解液去掉，照樣有熱失控，而且從中間可以看出，有一個放熱的尖峰，這是正負極合在一塊，充完電的正負極粉末放在一塊，就有劇烈的放熱峰，這個是他引發(fā)的原因。具體來看放熱峰哪里來的?正極材料的相變，釋氧?？纯瘁屟醯姆逯担龢O和負極結(jié)合的時候，負極被氧化，如果不合在一塊有峰值，合在一塊沒了，證明產(chǎn)熱來自正極釋氧與負極反應(yīng)的劇烈放熱。所以這個機理是什么?就是正負極的物質(zhì)交換，就是正極的釋氧跑到負極，形成劇烈反應(yīng)，這樣引發(fā)的熱失控。對于沒有內(nèi)短路的熱失控我們完全可以根據(jù)剛才所有的副反應(yīng)來建立模型，通過DSC多速率掃描，可以把剛才所有的副反應(yīng)的反應(yīng)常數(shù)用這個方法算出來，當(dāng)然通過一定的方法，最后再結(jié)合能量守恒、質(zhì)量守恒就可以算出剛才那個熱失控的完整過程，而且可以和實驗很好地符合。這樣我們就可以從經(jīng)驗試錯向基于模型的設(shè)計方面發(fā)展，當(dāng)然我們需要有很多數(shù)據(jù)庫，沒有數(shù)據(jù)庫是不行的，這是各種材料的反應(yīng)生成焓和反應(yīng)的放熱功率的關(guān)系。

基于數(shù)據(jù)庫我們當(dāng)然要對材料進行改進，重點的改進我想主要是兩條，一個是正極材料的改進，一個是電解質(zhì)。首先，我們從多晶到單晶就可以使釋氧的溫度提升100度，可以看出熱失控的特性也變了。比如我們用高濃度電解質(zhì)，也是一個辦法，當(dāng)然大家探討更多的現(xiàn)在是固態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)電解質(zhì)非常復(fù)雜，我們認為濃電解質(zhì)本身就有很好的特性。比如說它的熱重下降了，放熱功率下降了，從這個中間我們可以很明顯的看出，而且正極并不跟電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因為我們新的電解質(zhì)用的是DMC，DMC在100度都已經(jīng)蒸發(fā)完了，這是我們認為下一步電解質(zhì)，不僅僅是固態(tài)電解質(zhì)，更多的是從電解液的添加劑、高濃度電解質(zhì)、新型電解質(zhì)大有可為。

第三部分，關(guān)于析鋰和充電控制。大家知道，我前面講了析鋰電池，電池用了一段時間之后會衰減，全生命周期安全性會是什么樣?我們發(fā)現(xiàn)全生命周期安全性中間影響的最主要的因素就是析鋰，如果沒有析鋰衰減的電池安全性并不會變差，引起它的變差的唯一原因就是析鋰。我們可以找到一系列證據(jù)，比如低溫快充，低溫快充之后T2的溫度逐步下降，熱失控發(fā)生的更加早，這是電池容量衰減，從100%到80%。明顯的對應(yīng)著，從新電池到老電池的低溫充電形成的析鋰。另外一種就是快充，快充之后可以看出T2溫度的下降，T2下降到100度，從剛開始新電池200多度到100多度，熱失控發(fā)生的更早、更快。這是什么原因呢?同樣是析鋰，我們可以看出，析鋰多的、析鋰少的明顯不一樣。析鋰多的放熱量大，所以仍然是析鋰，析出鋰會直接跟電解液發(fā)生劇烈反應(yīng)，引發(fā)大量溫升，可以直接誘發(fā)熱失控。所以我們必須研究析鋰，就像我們研究內(nèi)短路一樣，析鋰怎么研究?首先我們可以看到這個析鋰的過程。這是充電，充電完了到靜置，可以看出析鋰剛開始出來，后面有很大一部分又回去了，這就是析鋰的過程。剛才的實驗可以從紅線可以看出，這是活性鋰、可逆鋰。還有一部分是死鋰，可逆鋰是可以重嵌入的，而且負極過電勢的變化，靜置階段過電式上升到0以后可逆鋰重嵌入，當(dāng)然死鋰不能重嵌入。這就給我們一個提示，我們能不能通過可逆鋰這個過程來檢測析鋰量，比方說它回去這個過程，這個過程對應(yīng)了一個電壓上的平臺，我們進行了仿真，也發(fā)現(xiàn)了這個平臺。像我們很低速率充電的時候沒有這個現(xiàn)象，是正常的電壓去極化，沒有這個平臺。所以這個平臺是很好的信號，平臺的終點我們可以通過微分確定，這是平臺結(jié)束的終點，代表了析鋰量，與我們析鋰總量有一個關(guān)系，可以通過公式預(yù)測。

我們從實驗也發(fā)現(xiàn)，這是一個充電，靜置的過程。我們再看到，析鋰的可以從中間看出來，這是實驗的結(jié)果。所以通過這種方式我們充電完了之后就可以把它找到，但是這是充完電之后的一個結(jié)果，我們能不能在充電的過程中就不讓它析鋰?能夠在充電中盡可能杜絕析鋰，當(dāng)然這要求助于我們的模型。

這是我們做的簡化的P2D模型，可以看出負極的電位，剛剛說負極電位與析鋰相關(guān)，只要控制負極的過電勢，我們就可以保證不析鋰。通過這個模型就可以推導(dǎo)出不析鋰的充電的曲線，我們讓它負極電勢始終不低于零，可以得到無析鋰的最佳充電曲線。我們可以用三電極標定這條曲線，這樣來做我們的充電算法，我們已經(jīng)跟企業(yè)合作，可以明顯看出，利用這個算法可以完全實現(xiàn)不析鋰，但是這種是一個標定過程，隨著時間的延長電池的衰減性能是會變的，我們怎么辦，我們需要反饋，所以我們做了反饋的無析鋰的控制算法，也就是要有一個觀測器來觀測負極的過電勢，這是負極觀測的過電勢，這就是觀測器，實際就是一個數(shù)學(xué)模型。這跟我們SOC估計是很像的，我們有一個觀測器算法，我們有一個端電壓的反饋，這樣我們就可以進行無析鋰充電的實時控制，這方面我們也跟企業(yè)合作了。

在這個過程中我們還是有些遺憾，能不能直接用負極過電勢的傳感器呢?所以我們進一步深入的研究就是研發(fā)這個過電勢傳感器。大家知道傳統(tǒng)的我前面講到的三電極，它的壽命是有限的，沒辦法作為傳感器使用，近期我們電池安全實驗室跟化工系合作?；は祻垙妶F隊，因為他們是做鋰負極非常有經(jīng)驗的團隊，在這方面獲得突破，我們的測試壽命已經(jīng)可以大于5個月，大于5個月應(yīng)該說就已經(jīng)可以用了，因為我們實際應(yīng)用的時候只是在快充的時候進行接入測試，并不是一直用，5個月就夠了。下一步我們的工作就是基于負極過電勢傳感器的反饋充電控制。

第四部分，熱失控，如果我們前面三種方法都不行了，就是熱失控的蔓延以及我們的抑制方法。大家知道，這種機械濫用直接把電池刺穿或擠壓會立即形成燃燒爆炸，這就是蔓延的過程，這是我們進行的蔓延的測試。首先是溫度場的測試，這是我們并聯(lián)電池組的蔓延過程，蔓延過程的機理在這上面，為什么它是一節(jié)一節(jié)下來的，因為當(dāng)?shù)谝粋€電池?zé)崾Э刂髸搪?，所有的電都會往這邊來，所以造成電壓下降，但一旦最后它會斷開，它又回去了，這是并聯(lián)熱失控的特征。

這是串聯(lián)電池組的，串聯(lián)電池組純粹就是一個傳熱過程導(dǎo)致的。

這是另外一種情況，剛開始有序的蔓延，最后是劇烈蔓延，當(dāng)然是因為中間有燃燒造成的，不僅僅是傳熱，這種立即會導(dǎo)致爆炸事故、燃燒事故等等。

這是整個系統(tǒng)、整個PACK傳播的過程，它的傳播是有規(guī)律的，從D2先到U2，D1差不多同時，然后是其他的，這邊基本上不過來，中間因為有隔熱，這就提示我們對電池包的設(shè)計還是非常重要的。

據(jù)此，我們的目的當(dāng)然還是基于模型仿真的設(shè)計，因為這個過程非常復(fù)雜，如果僅憑經(jīng)驗是非常困難的，這就是我們做的仿真。大家一定知道，仿真的參數(shù)怎么取是最重要的，你可以調(diào)參數(shù)，但調(diào)參數(shù)是沒有意義的，所以我們做了參數(shù)方面詳細的研究，怎么取參數(shù)是一個技巧性非常強的過程，我在這兒不詳細介紹了，需要一系列的方法。

有了這個參數(shù)標定的模型我們就可以進行設(shè)計，這是隔熱的設(shè)計。電池只隔熱是不夠，還有散熱的設(shè)計。還有一些電池隔熱、散熱必須全部一起上才有可能，這就是我們學(xué)生創(chuàng)業(yè)的公司開發(fā)的防火墻技術(shù)，隔熱、散熱一塊，通過隔熱傳熱擋住，散熱趕緊把能量帶走，這兩個配合。這是做了大量實驗的，這就是在野外整個電池包的實驗，一個傳統(tǒng)電池包，一個帶防火墻的電池包。帶防火墻的電池包剛開始這邊煙挺大的，慢慢就沒了，也沒有燃燒，沒有熱蔓延，傳統(tǒng)電池包到最后形成熱蔓延和燃燒。我們可以通過這個，把它真正的擋住。這是關(guān)于這方面的工作，我們也參與了一系列的國際法規(guī)的制定。

現(xiàn)在我們進一步做的這中間有一個過程就是噴發(fā)，比較復(fù)雜，現(xiàn)在我們還沒有加入到仿真，噴發(fā)模型當(dāng)然有，但是還不準確。從實驗可以看出，有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三態(tài)，這中間氣態(tài)都是一些可燃氣體，就是燃料，固態(tài)是一些固態(tài)的顆粒，往往形成火焰。怎么辦?一個是收集顆粒物，就像傳統(tǒng)汽車一樣，要把顆粒物通過過濾器進行捕集。另外一個是稀釋，讓可燃氣體超出它的著火范圍，這就是我們現(xiàn)在正在做的工作。

最后我做一下總結(jié)。

熱失控有三個過程，誘發(fā)、發(fā)生到蔓延。對誘發(fā)來講，有各種各樣原因的誘發(fā)，前面我已經(jīng)講了很多，當(dāng)然還有一個是我們的碰撞機械部分，我沒有說，現(xiàn)在我們前面核心講的是這些東西，這些東西目前還沒有法規(guī)來進行規(guī)范，我們覺得后面是需要的。第二個，熱失控發(fā)生。我們提到了三個溫度，其中T2溫度有三個原因在這里顯示出來了。電池內(nèi)部有噴發(fā)和著火，主要是由電解液的狀態(tài)、電解液的沸點決定的，有一次噴發(fā)、二次噴發(fā)、最后是著火，我們要防止它就要把這些環(huán)節(jié)全部去掉，這是一些措施。最后是蔓延，有我們可以預(yù)期的蔓延、還有突然的蔓延，比如噴火，這是噴發(fā)到噴火到劇烈的噴火、最后導(dǎo)致劇烈的燃燒，我們這里顯示的所有問題都是有辦法解決的。