一級消防工程師：鋰離子電池火災(zāi)防控技術(shù)取得新突破
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鋰離子電池火災(zāi)防控技術(shù)取得新突破
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)是中國科學(xué)院所屬的一所綜合性全國重點大學(xué)，以前沿科學(xué)和高新技術(shù)為主、兼有特色管理和人文學(xué)科，是國家首批實施“985工程”“211工程”和“雙一流”建設(shè)大學(xué)之一。中科大火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室(簡稱“火災(zāi)實驗室”)是我國唯一的火災(zāi)科學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究的國家級重點研究機構(gòu)，在國際火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域具有重要影響力和學(xué)術(shù)地位?；馂?zāi)實驗室承擔(dān)的科研項目“鋰離子電池火災(zāi)危險性及其防控技術(shù)”取得了多項新技術(shù)的突破，2018年6月，該項目獲得了第八屆中國消防協(xié)會科技創(chuàng)新獎一等獎。
安全性問題急需解決鋰離子電池具有高電壓、高比能量、長循環(huán)壽命等卓越性能，在消費電子領(lǐng)域成為主導(dǎo)電源，并已在光伏儲能、核電儲能、風(fēng)力儲能、飛機等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，尤其是新能源汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，就目前而言，鋰離子電池是新能源汽車的“心臟”。然而，鋰離子電池?zé)崾Э匾l(fā)的火災(zāi)爆炸事故屢見報端，安全性問題成為阻礙鋰離子電池在電動汽車、儲能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要原因之一。國內(nèi)外關(guān)于鋰離子電池火災(zāi)危險性及其防控技術(shù)方法的研究非常有限，而且研究對象主要是小型電池，或者由小型電池組成的電池組，而鋰離子電池的安全性與電池的大小、容量有關(guān)。商用小型電池，比如手機、攝像機、筆記本電腦所用的電池一般是由3Ah左右的方形或圓柱形(18650)電池構(gòu)成，電池重量大概在10~30g之間。相比之下，電動自行車所用電池模組的重量在3~4kg之間，電動摩托車所用電池模組重量約為15~20kg，混合電動汽車所用電池模組重約30~100kg，純電動汽車所需電池模組重約300~400kg，儲能電站所需電池模組重約1000kg以上。隨著電池應(yīng)用的規(guī)模擴大，單位空間內(nèi)的能量密度增強，加大了其火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險，因此，亟需開展大型高能量鋰離子電池的火災(zāi)危險性研究。2002年，火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室副主任、工業(yè)火災(zāi)研究室主任孫金華教授從日本回國，主持中科院“百人計劃”項目、973項目子課題、國家自然科學(xué)基金面上項目等國家和省部級重要科研課題10余項。他在研究過程中，敏銳地發(fā)現(xiàn)，作為一種新興的能量載體，鋰離子電池在消費電子、電動汽車等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但鋰離子電池火災(zāi)爆炸事故時有發(fā)生，而國內(nèi)外對鋰離子電池火災(zāi)的認(rèn)識極其匱乏，已成為阻礙鋰離子電池大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵一環(huán)。面對重大安全科技需求，在國內(nèi)外研究資料嚴(yán)重不足的情況下，孫金華提前布局，組建鋰離子電池安全研究團(tuán)隊，開展前瞻研究。孫教授特別安排王青松博士針對鋰離子電池安全方面問題這一“冷門課題”開展系統(tǒng)研究，并成立了火災(zāi)實驗室鋰離子電池安全研究團(tuán)隊。研究團(tuán)隊獲得了國家自然科學(xué)基金等項目的資助，單位對本項目也高度重視，提供了良好的科研平臺和科研環(huán)境，建設(shè)有鋰離子電池?zé)岚踩珜嶒炁_、鋰電池火災(zāi)實驗臺、鋰電池?zé)岱抡嬗嬎闫脚_、全尺寸熱釋放速率實驗臺等平臺，購置了C80微量量熱儀、加速量熱儀、差示掃描量熱儀(DSC)、紅外熱像儀、高速攝像儀、綜合熱分析儀、錐型量熱儀等儀器，為本項目的順利開展提供了實驗條件保障。
迎難而上創(chuàng)新研究成果鋰離子電池的火災(zāi)安全問題主要來自電池的熱失控，為此，王青松等項目團(tuán)隊成員甘坐科研“冷板凳”，迎難而上、不斷挑戰(zhàn)自我，在困境中勇往直前、毫不退縮，采用安全系統(tǒng)工程原理，從鋰離子電池的熱失控災(zāi)害孕育、災(zāi)害發(fā)生及災(zāi)害防控等方面開展了系統(tǒng)研究。針對國內(nèi)外在電池火災(zāi)危險性方面研究的嚴(yán)重不足，項目團(tuán)隊建立了大型高能量鋰離子電池全尺寸火災(zāi)行為測試平臺。在不斷的反復(fù)實驗中，研究團(tuán)隊首次發(fā)現(xiàn)鋰離子電池具有多次射流火的特殊現(xiàn)象，并將鋰離子電池的火災(zāi)行為劃分為六個階段：電池膨脹、第一次噴發(fā)射流火、穩(wěn)定燃燒、第二次噴發(fā)射流火及穩(wěn)定燃燒、第三次噴發(fā)射流火及穩(wěn)定燃燒、火焰減弱至熄滅。為進(jìn)一步揭示鋰離子電池多次射流火機制，提出使用去卷積分析方法，分析每個產(chǎn)熱階段具體的熱流峰。通過對電極材料的熱分析發(fā)現(xiàn)，多次射流火是正極材料在高溫下分解釋放大量的熱和氧，與電解液分解產(chǎn)生的可燃性氣體混合，發(fā)生強烈燃燒或?qū)е卤?。鋰離子電池電解液是鋰離子穿梭于正負(fù)極之間的紐帶與橋梁，具有“鋰離子電池血液”的美譽。由于電解液具有易分解性和可燃性，因此提高鋰離子電池的安全性一直是該領(lǐng)域的難題。項目團(tuán)隊的研究表明，導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐臒崃恐饕獊碜云鋬?nèi)部的化學(xué)反應(yīng)熱，因此，研究能夠抑制電池內(nèi)部反應(yīng)的阻燃添加劑，可抑制熱失控反應(yīng)的發(fā)生?；诖耍瑘F(tuán)隊系統(tǒng)研究了磷酸酯系列添加劑，以及復(fù)合型添加劑等對電池電解液、正極、負(fù)極和全電池的電性能及熱穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并提出了阻燃劑抑制電池?zé)崾Э匕l(fā)生的自由基捕獲阻燃機理。一步步的發(fā)現(xiàn)讓團(tuán)隊的人員信心大增，接著，團(tuán)隊又研發(fā)了鋰離子電池本質(zhì)安全型電解液，在這個研究過程中，進(jìn)一步探索了本質(zhì)安全型鋰離子電池體系。添加阻燃劑后，電解液在高溫時形成焦炭，阻止了電解液的分解和燃燒，有效改善了鋰離子電池的安全性，而且對全電池的電化學(xué)性能幾乎沒有影響，從而初步解決了鋰離子電池的安全性與電化學(xué)性能不兼容的矛盾，提高了電池的本質(zhì)安全性。對鋰離子電池的火災(zāi)危險性研究發(fā)現(xiàn)，電池發(fā)生火災(zāi)時會出現(xiàn)多次射流火現(xiàn)象，而現(xiàn)有消防裝備和設(shè)計均為一次滅火，因此，電池的特有火災(zāi)現(xiàn)象對消防設(shè)計是一大技術(shù)挑戰(zhàn)。針對鋰系電池消防難題，項目團(tuán)隊提出了鋰離子電池系統(tǒng)的三級溫度控制策略，并首次設(shè)計出具備二次滅火功能的消防設(shè)計方案，即兩套滅火裝置共用一個消防柜，實現(xiàn)對兩個電池儲能單元的滅火保護(hù)，兩套滅火裝置相互獨立且互為備用，整體具備二次滅火功能。該方法有效地解決了鋰電池體系的消防技術(shù)難題，不僅是一種智能、高效的消防裝置設(shè)計方法，同時進(jìn)一步發(fā)展完善了火災(zāi)防治技術(shù)。
為社會帶來更加安全的環(huán)境近年來，在國內(nèi)新能源汽車蓬勃發(fā)展的背景下，汽車由燃油轉(zhuǎn)向“燃電”，鋰離子電池作為目前最優(yōu)的動力來源選擇，具有巨大的行業(yè)需求。2018年新能源乘用車的銷量為125萬輛，保守估計，到2020年，新能源乘用車保有量將突破380萬臺，新能源總保有量有望突破500萬輛。截至2018年9月底，全球已投運電化學(xué)儲能項目的累計裝機規(guī)模為4037.6MW，其中我國裝機規(guī)模已達(dá)649.7MW。據(jù)預(yù)測，到2020年，我國電化學(xué)儲能累計裝機規(guī)模將達(dá)2GW。項目團(tuán)隊經(jīng)過十余年的探索，在鋰離子電池的本質(zhì)安全技術(shù)、火災(zāi)爆炸預(yù)測預(yù)警技術(shù)以及消防控制技術(shù)等方面取得突破性和原創(chuàng)性進(jìn)展。研發(fā)的鋰離子電池安全電解液在電池企業(yè)得到應(yīng)用，提高了電池的本質(zhì)安全，降低了電池的火災(zāi)風(fēng)險，使其順利通過安全國標(biāo)GB/T 31485―2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》的檢測。開發(fā)的多級安全防控技術(shù)“填補了國內(nèi)鋰離子電池火災(zāi)危險性分析和消防研究方面的空白”，為鋰離子電池的安全使用提供了安全技術(shù)保障。令人欣慰的是，鋰離子電池溫控策略、消防系統(tǒng)設(shè)計等方面的研究成果已成功應(yīng)用于南方電網(wǎng)某電池儲能站，目前已安全運行5年，充分發(fā)揮了持續(xù)安全供電功能，項目成果的應(yīng)用產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
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