近期電動汽車頻發(fā)起火燃燒事故引發(fā)工信部等政府主管部門高度關(guān)注，并緊急部署車企排查動力鋰電池隱患。引發(fā)動力鋰電池安全事故的原因有什么？通過有效的防控是否能夠提高電動汽車的安全性能？六月二十三日，在2019我國（青海）鋰產(chǎn)業(yè)與動力鋰電池國際高峰論壇上，我國科學(xué)院院士、我國電動汽車百人會執(zhí)行副理事長歐陽明高對此進行了詳細講解。

歐陽明高說，新能源汽車安全事故的本質(zhì)是電池?zé)崾Э?。熱失控的誘因包括機械電氣誘因（電池碰撞擠壓、針刺等）和電化學(xué)誘因（電池過充過放、快充、低溫充電、自引發(fā)內(nèi)短路等）。當(dāng)一個電池單體發(fā)生熱失控之后，相鄰單體受影響后也相繼發(fā)生熱失控，導(dǎo)致熱失控蔓延，最終引發(fā)安全事故。

歐陽明高表示，為了解決動力鋰電池安全問題，清華大學(xué)建立了電池安全實驗室，開展了動力鋰電池安全防控研究，清華大學(xué)電池安全實驗室的基本熱失控測試方法是，首先采用大型加熱儀，實現(xiàn)大容量單體動力鋰電池絕熱熱失控特性的定量測量。在此基礎(chǔ)上，把大容量加速量熱儀ARC測試，與差示掃描量熱儀DSC測試結(jié)合進行耦合分析。此外，還結(jié)合掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射、X射線光電子能譜、質(zhì)譜儀等儀器，對電池材料的熱響應(yīng)行為進行原位或非原位的測試

在此基礎(chǔ)上提煉出了電池?zé)崾Э氐娜齻€特點溫度，自生熱的起始溫度T1和熱失控的觸發(fā)溫度T2，以及熱失控的最高溫度T3?；谶@些測試全面揭示了三種熱失控觸發(fā)機理：第一種是負極析活性鋰，第二種是內(nèi)短路，第三種正極釋活性氧。這三種機理可以解釋超過99%的電池?zé)崾Э厥鹿试颉?/p>

基于這三種熱失控機理，清華大學(xué)電池安全實驗室發(fā)展了動力鋰電池?zé)崾Э刂鲃影踩揽丶夹g(shù)——電池充電析鋰與快充控制、電池內(nèi)短路與電池管理、單體電池?zé)崾Э嘏c熱設(shè)計，在前面幾種防控措施失效情況下，還有最后一關(guān)就是系統(tǒng)層面的防控，即電池系統(tǒng)熱蔓延與熱管理。

歐陽明高透露，清華大學(xué)與奔馳、寶馬、日產(chǎn)、三星SDI、SK以及CATL、比亞迪、力神、長安、廣汽、北汽新能源等國內(nèi)外多家主機廠和電池公司開展了電池安全領(lǐng)域的多個項目合作，并已經(jīng)向國際著名公司許可專利，國內(nèi)知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移也正在進行中。

以下為歐陽明高所做的演講《動力鋰電池?zé)崾Э匕踩揽氐难芯窟M展》的重要內(nèi)容，略有刪節(jié)。

一、電池充電析鋰與快充控制

近期發(fā)生的充電事故的分析表明，重要是不當(dāng)快速充電或過充引發(fā)電池析鋰，導(dǎo)致熱失控溫度大幅度下降，從219℃下降到107℃，并與電解液劇烈反應(yīng)，電池在107℃發(fā)生熱失控。

通過實驗表征發(fā)現(xiàn)，電池快充時能明顯看出析鋰的出現(xiàn)。通過對析鋰機理進行研究，發(fā)現(xiàn)析鋰的完整過程，包括電池充電過程負極表面鋰析出和重新嵌入，析出過程就是負極零電位之后形成，在電池停止充電之后，電位會恢復(fù)到零電位以上，這個時候會重新嵌入，然后所有的可逆鋰均完全溶解，負極不再發(fā)生反應(yīng)。

我們對這個機理建立了仿真模型，在常規(guī)電池準(zhǔn)二維(p2D)模型基礎(chǔ)上加入析鋰反應(yīng)的過程，并在此基礎(chǔ)上，進行了仿真和驗證。從仿真結(jié)果看，可以成功模擬充電析鋰后電池靜置過程中的電壓平臺，這個平臺是重新嵌入的過程。對上述電壓平臺進行微分處理，可以定量得到整個析鋰全過程的時間。以這個時間為一個變量，我們可以建立相關(guān)經(jīng)驗公式計算出析鋰量。

在此基礎(chǔ)上，我們進行了無析鋰安全快充研究。

首先，建立了準(zhǔn)二維電化學(xué)機理模型，用于預(yù)測負極電位，并以此為基礎(chǔ)得到最優(yōu)充電曲線的解析表達式，接著以充電負極定位為一個基準(zhǔn)，加一個冗余量，可以推導(dǎo)出電池最優(yōu)的充電電流。以此為基礎(chǔ)，我們可以進行最優(yōu)充電的控制，以基于模型的負極電位觀測器為基礎(chǔ)，可以把負極電位觀測出來的電位，跟參考電位進行比較，通過調(diào)整充電電流使這個電位差趨于零可以實現(xiàn)無析鋰的快充。

上述模型會隨著電池的衰減，形成誤差，模擬結(jié)果可能不一定準(zhǔn)確。所以，我們在此基礎(chǔ)上開發(fā)新型的參比電極，直接反饋負極電位，傳統(tǒng)參比電極壽命極短，我們開發(fā)了新型的參比電極，壽命超過5個月，并且還在繼續(xù)優(yōu)化，希望參比電極的使用壽命盡可能延長，真正做到能夠作為傳感器使用。

在沒有實現(xiàn)裝車傳感器應(yīng)用之前，我們應(yīng)用于充電算法的標(biāo)定，可以節(jié)省大量時間，因為傳統(tǒng)的充電算法標(biāo)定每次都要拆解觀測，應(yīng)用參比電極之后可以不用拆解，高效率優(yōu)化充電算法。

目前國內(nèi)公司的充電算法都過于簡單，我們跟日產(chǎn)進行過交流，其充電算法是基于大量數(shù)據(jù)MAp圖進行的，所以我們必須也要做好MAp圖，使充電算法能夠考慮各種各樣的影響因素，這個過程的工作量和實驗量是非常大的。

為了解決這個問題，應(yīng)用長壽命的參比電極，以此為基礎(chǔ)標(biāo)定出盡量接近于最優(yōu)充電電流的充電曲線。

二、電池內(nèi)短路和電池管理

內(nèi)短路是電池?zé)崾Э氐墓残原h(huán)節(jié)，各種各樣的原因都可能出現(xiàn)不同類型的內(nèi)短路，包括機械變形、擠壓、撕裂，隔膜破裂、過充過放、極端過熱。更危險的一種內(nèi)短路是自引發(fā)內(nèi)短路，如波音787的事故，是在制造過程中引入的雜質(zhì)和顆粒，在長期運行之后累積演變發(fā)生的。

枝晶生長是可以模擬的，而內(nèi)短路是較難進行實驗再現(xiàn)的現(xiàn)象，要發(fā)展各種各樣的替代實驗方法。我們發(fā)明了一種新的替代實驗方法進行內(nèi)短路的模擬測試，重要是將特制的具有尖刺結(jié)構(gòu)的記憶合金內(nèi)短路觸發(fā)元件植入電池內(nèi)部，升溫使尖刺結(jié)構(gòu)翹起并刺穿隔膜，模擬內(nèi)短路過程。

通過該實驗發(fā)現(xiàn)重要的內(nèi)短路類型包括，鋁-銅、正極-銅、鋁-負極、正極-負極等四種電路。其中有的是立即發(fā)生熱失控，如鋁和負極的接觸；而正極和負極接觸一般不會發(fā)生熱失控；鋁和銅接觸的危險程度也比較高，但是不一定馬上引發(fā)內(nèi)短路。我們對熱失控內(nèi)短路建立仿真模型，其中很重要的是內(nèi)短路位置的熔斷，這種熔斷可能導(dǎo)致整個內(nèi)短路終止，也有可能導(dǎo)致更劇烈的內(nèi)短路發(fā)生。

為此，我們對影響這種熔斷的各種參數(shù)進行了分析。我們對整個內(nèi)短路發(fā)生演變的過程進行了綜合分析和總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，提出為防止發(fā)生熱失控，必須要在早期階段將內(nèi)短路檢測出來。

介紹其中的一種方法，是對串聯(lián)電池組的內(nèi)短路檢測方法，重要基于一致性差異進行診斷。具體來看，可以建立有內(nèi)短路和沒有內(nèi)短路的等效模型，基于這個等效模型和平均差異模型進行在線參數(shù)估計，有內(nèi)短路之后電位和等效阻抗發(fā)生了變化，我們對這兩個參數(shù)進行了參數(shù)辨識，最后可以找出究竟是哪一個單體出現(xiàn)了問題，通過驗證試驗結(jié)果，很明顯的能夠發(fā)現(xiàn)某一個電池有內(nèi)短路。

但算法只是一個基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，我們還要結(jié)合大量工程實驗數(shù)據(jù)，最終開發(fā)出了實用化的檢測算法。當(dāng)然僅僅內(nèi)短路檢測是不夠的，要對過充、過放、SOp等進行綜合管理，才有可能實現(xiàn)內(nèi)短路以及熱失控的提前預(yù)警，這就是新一代的電池管理系統(tǒng)，是以安全為核心的全方位狀態(tài)估計和故障檢測。

三、單體電池?zé)崾Э嘏c熱設(shè)計

隔膜材料發(fā)生了很多變化，從pE、pp、pE+Ceramic到pET材料，隔膜的耐熱溫度已經(jīng)很高了，可以達到300℃；與此同時，正極材料從早期的LFp，到NCM111、NCM523、NCM622，再到現(xiàn)在的NCM811，正極材料的釋氧溫度在逐步降低。

隨著這兩種技術(shù)的變化，熱失控的機理也在發(fā)生變化。早期電池大多由于隔膜崩潰引發(fā)大規(guī)模內(nèi)短路引發(fā)熱失控，但目前使用的耐高溫隔膜配811正極動力鋰電池，其熱失控的機理已經(jīng)發(fā)生變化，正極材料釋氧變成了引發(fā)熱失控的主因。

實驗結(jié)果表明，在沒有內(nèi)短路的情況下，把隔膜完全去掉，電解液抽干依然會發(fā)生熱失控。當(dāng)把正負極粉末混合進行測試，會出現(xiàn)劇烈的放熱峰值。

通過進一步的分析發(fā)現(xiàn)，充電態(tài)正極材料在250℃左右開始出現(xiàn)相變，并釋放活性氧，出現(xiàn)的氧氣與負極發(fā)生反應(yīng)，放熱量急劇新增，因此在新電池體系中，正負極氧化還原反應(yīng)出現(xiàn)大量熱量是導(dǎo)致熱失控的直接原因，而不僅僅是傳統(tǒng)電池體系中隔膜崩潰導(dǎo)致內(nèi)短路引發(fā)熱失控。

基于上述機理分析，對各種電池材料放熱副反應(yīng)相關(guān)參數(shù)進行測量，再利用熱分析動力學(xué)進行分析和參數(shù)優(yōu)選，最后把所有副反應(yīng)整合起來就可以對整個熱失控過程進行預(yù)測。由此，基于準(zhǔn)確的電池?zé)崾Э仡A(yù)測，可用于指導(dǎo)電池安全性設(shè)計。

在統(tǒng)計多種電池材料體系的熱穩(wěn)定性參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以提出一系列電池?zé)崾Э靥匦缘母倪M方法，包括正極改性、負極改性、提升電解液的穩(wěn)定性、采用熱穩(wěn)定性高的隔膜等，關(guān)鍵在于如何進行組合。這里只展示其中一種方法，對正極材料的形貌優(yōu)化，將傳統(tǒng)三元多晶正極優(yōu)化為單晶大顆粒結(jié)構(gòu)的三元正極，單晶正極的產(chǎn)氧比多晶正極延后了100℃，熱失控最高溫度也有所降低。

四、電池系統(tǒng)的熱蔓延與熱管理

假如前面所有方法都失效，就要從