毛煥宇：EV動(dòng)力電池的“失效-安全”機(jī)制
圖為蘇州宇量電池有限公司毛煥宇博士
毛煥宇：內(nèi)短路也經(jīng)常會(huì)引起電池爆炸。內(nèi)短路是一個(gè)什么情形？先說一下我們公司，這個(gè)公司成立的時(shí)間不長，叫蘇州宇電電池有限公司，離長海大概8、90里。我們這個(gè)廠占地117畝。
為什么會(huì)有內(nèi)短路？熱的傳遞，然后再說一下怎么防止熱傳遞的幾個(gè)措施。鋰電池的安全問題有一些過充、過放、過熱，比方說漏液，這都會(huì)有安全的問題，電池外部短路都會(huì)引起安全問題。但是問題就是，這一些都能夠用其他的方法來測試，來防止，只有一種方法，電子電芯的內(nèi)短路我們是沒有辦法防止的。這個(gè)內(nèi)短路目前既沒有辦法預(yù)測，也不可以防止，而且它的性質(zhì)是什么樣的？很多的這種電池的爆炸，在手機(jī)領(lǐng)域里面，在筆記本電腦里面有很多這種情況。這些基本上都是由于電池內(nèi)短路引起的。這個(gè)是在3C里面用的情況。
我們看看在動(dòng)力電池里有沒有內(nèi)短路發(fā)生的問題？也有，最典型的就是波音787上面的電池發(fā)生內(nèi)短路。這個(gè)已經(jīng)由美國的運(yùn)輸安全局已經(jīng)定性了，整個(gè)電池包就這么燒掉了，然后起火和濃煙，燒掉了5公斤的重量。
電池內(nèi)短路是怎么引起的？如果知道了起因以后我們要想辦法防止，但是很不幸的是電池有很多的原因可以引起電池內(nèi)短路，比如說電池的毛刺，隔膜的瑕疵，裝備過程中的電極損壞，裝備出錯(cuò)，出現(xiàn)內(nèi)部混亂，還有電極不均勻造成局部的析鋰，制造過程中的原因，還有一些其他的原因，我們也不知道，它的特點(diǎn)就是原因眾多、防范混亂，無法預(yù)測。它在使用中間爆破，它出廠的時(shí)候你看不出來。
當(dāng)一個(gè)電池有內(nèi)短路的時(shí)候，我們認(rèn)為至今只有用Fail-Safe這個(gè)方法才可以防止電池的內(nèi)短路。
為什么要用這個(gè)Fail-Safe這個(gè)方法呢，假設(shè)一個(gè)電池爆炸了，旁邊的就會(huì)受影響，再旁邊的就會(huì)受影響，這就是Fail，如果我們采取某種措施，就是Fail-Safe，有一顆電芯爆炸了，它能夠被周圍的這些絕緣物給擋住，這樣電池包就是安全的，這就是Fail-Safe。
我們公司現(xiàn)在開發(fā)了一種技術(shù)，瞬間產(chǎn)生一個(gè)電池的內(nèi)短路，使這個(gè)電池發(fā)生爆炸。這里有一顆電池?cái)[在這里，現(xiàn)在我們要引發(fā)內(nèi)短路，這個(gè)電池就爆炸了。有了這個(gè)技術(shù)，我們就可以在很多情況下做實(shí)驗(yàn)。
下面一個(gè)實(shí)驗(yàn)是在氮?dú)饫锩孀龅摹５獨(dú)饫锩嬉彩钦諛诱ǖ模粫?huì)因?yàn)槟阃饷媸强諝猓锩媸堑獨(dú)馑筒槐耍还艿摹?/p>
我們把它放在油里是什么樣的？我們放在油里面引發(fā)內(nèi)短路，還是照樣爆炸，也有火噴出來。不管你的外部情況怎么樣，它是不管的，都是會(huì)發(fā)生爆炸的，只要有內(nèi)短路。
我們測量了電池的溫度，我們在電池不同的部位來進(jìn)行測試，我們電池是2680，26的直徑，80的高度，是用三元材料做的，容量接近6Ah。
你看一下，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)電池爆炸的溫度，不管是中間還是邊上，都在500多度，特別是頂部超過了600度，這么高的高溫在一個(gè)電池里面很難不引起周圍電池的爆炸。我們中間有一個(gè)電池發(fā)生爆炸了，實(shí)際情況是什么？引發(fā)以后就燃燒了，就炸了，又炸了，最后一個(gè)一個(gè)接著爆了，最后整個(gè)包就燒完了。
我們?yōu)榱烁恿私膺@個(gè)性質(zhì)，怎么能夠防止電池的爆炸？我們做了6個(gè)電池的一個(gè)小模組。這是6個(gè)電池，每一個(gè)電池上面有一個(gè)傳感器，我們來測量它的溫度，把它放在鐵箱子里面讓它去爆炸。
我們看看情況怎么樣？這個(gè)電池是引爆的，緊接著引爆了以后又來了第二次，而且還有這么多火出來，緊接著還會(huì)來一次，這個(gè)過程是一個(gè)比較長的過程，這個(gè)視頻很長，我把中間等的階段給省掉了。中間是一個(gè)接一個(gè)，過一會(huì)兒又爆一個(gè)，過一會(huì)兒又爆一個(gè)這樣子的。我們把這個(gè)溫度記錄下來，我們就可以看到，這些都是爆炸的電池，一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)，一個(gè)一個(gè)接著爆，這是時(shí)間軸、這是溫度。隔一段時(shí)間炸一個(gè)，隔一段時(shí)間炸一個(gè)，最后全部炸光，這是由于什么原因？是由于熱的傳導(dǎo)，從一個(gè)爆炸電池到另外一個(gè)電池?zé)岬膫鲗?dǎo)。
我們發(fā)現(xiàn)通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們把電池之間的距離進(jìn)行改變，改變這個(gè)電池中的距離。我們離的很近，然后分開，再分開，這樣子到了一定的距離的時(shí)候，我們再來做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)，只炸了一次。我們來看一下這個(gè)視頻，不像剛才一樣，是連續(xù)的炸。如果有足夠的空間距離，就能夠防止這個(gè)電池的熱傳遞引起的連鎖反應(yīng)。
我們再來看看它的溫度。最高溫度也沒有超過100度，這是周圍電池的，不是爆炸電池，爆炸電池已經(jīng)到了差不多1000度了。周圍的電池沒有達(dá)到100度，這種情況、這個(gè)距離，我們認(rèn)為就是一個(gè)安全距離，萬一你的電池發(fā)生內(nèi)短路的時(shí)候，你的電池包應(yīng)該不會(huì)引起熱的傳遞。
另外一個(gè)辦法，你不是把距離弄的很遠(yuǎn)嗎！這個(gè)電池包的尺寸就很大，我們也有另外一個(gè)辦法來進(jìn)行防止，就是迅速移走后分散高熱中心。爆炸那顆電池會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，我們在下面可以看到，如果把中心的熱迅速移掉的話，也可以起到保護(hù)作用。
這個(gè)是另外一個(gè)爆炸實(shí)驗(yàn)，我們是用尺子，一大把傳感器來測量電池周圍溫度分布的情況，這個(gè)電池炸出來以后有很多的溫度。我們利用傳感器測量這個(gè)爆炸時(shí)候的溫度。我們上面有一個(gè)十字架，隔一點(diǎn)距離量一次，隔一點(diǎn)距離量一次。我們可以發(fā)現(xiàn)，這個(gè)爆炸的中心的溫度可以到1087度。這個(gè)實(shí)際溫度可能愛高于1087度，因?yàn)橛幸恍c(diǎn)沒有采到。所以，最少也有1100度了。根據(jù)這個(gè)坐標(biāo)我們就可以看到，離的遠(yuǎn)的地方就慢慢降低，在中心有一個(gè)很集中的一個(gè)熱的空間。
我們怎么來盡快的移走這個(gè)熱呢？我們采取的方式是在這個(gè)電池的模組上設(shè)計(jì)一個(gè)煙道，任何電池發(fā)生爆炸都會(huì)通過這個(gè)煙道把高溫的氣體給移走。這是我們設(shè)計(jì)的一個(gè)模組。
高溫氣體移走行不行？我們有一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明給大家來看看，下面是國家電網(wǎng)大電池包的爆炸實(shí)驗(yàn)。這個(gè)里面裝了大概6度多電，我們進(jìn)行引爆，引爆以后也是開始冒煙，其中有一顆電池在箱體里面爆炸了。我們采取了有煙道的這種模組，所以這個(gè)電池是安全的。我們打開來看看，我這里要說一下，我們?yōu)榱俗鲞@個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們放了一塊還原板，放在了電池的邊上，就是靠在這些煙道上面，如果有煙出來了，他就會(huì)在上面做一個(gè)記號(hào)，就把這個(gè)地方給熏黑了，引爆以后就看它到底是不是從這里出來的，怎么分散的。
我們把這一部分放大來看，在這個(gè)煙道出口的地方有一個(gè)個(gè)的方型，這個(gè)就是我們的煙道口，一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)、六個(gè)，而且這個(gè)中心也分散了，分散以后這個(gè)熱量就大量下降了，溫度也會(huì)非常的低，才50幾度，根本就不會(huì)引起任何的安全問題。這是按照我們設(shè)計(jì)的方式從我們需要的地方出來。這也是一個(gè)方法。
另外一個(gè)方法，這個(gè)比較難做，來防止這個(gè)熱擴(kuò)散。我們做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置是測距離比較近的，如果不采取措施的話就會(huì)發(fā)生爆炸。把它放在一個(gè)箱體里面，我們把這些東西都浸在礦物油里面。我們做了一個(gè)箱子，就是剛才那種箱子，這里面用了2度半的電。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是什么？在油里面發(fā)生內(nèi)短路爆炸，這是一個(gè)什么狀況？有一個(gè)人出來了，弄的一樣，好了，炸了。這說明內(nèi)部的壓力還是蠻大的。
我們再測量一下它的溫度，這個(gè)溫度就非常的好了，哪怕是引爆電池的溫度，我估計(jì)應(yīng)該是在400多度，如果在空氣里面應(yīng)該會(huì)到1000多度。所以這個(gè)電池的溫度也下降了，其他的電池來50度都不到。所以，在這種油里面，如果發(fā)生內(nèi)短路的話，這個(gè)是可以很大程度的降低這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)的。
我的結(jié)論是這幾個(gè)，在今天這個(gè)技術(shù)的狀態(tài)下，你要用高能量的電池的話，我認(rèn)為必須要有Fail-Safe的措施，磷酸鐵鋰是另外一回事兒，它不屬于高能量密度的。我認(rèn)為磷酸鐵鋰要做這種引爆電池我們根本做不出來，一定要有Fail-Safe的措施，否則沒有別的辦法。
另外有三個(gè)方法可以防止這個(gè)熱的傳遞，一個(gè)是保持足夠的距離，一個(gè)是迅速移走這個(gè)熱，另外一個(gè)，如果有條件的話也可以把它放在油里面。謝謝各位！
提問：我想提一個(gè)問題，現(xiàn)在咱們這個(gè)工作都是在防止電池爆炸，但是一旦電池爆炸以后，你想過沒有怎么滅火？用普遍的滅火劑是滅不掉的。
毛煥宇：這個(gè)我們也做了，我們也有滅火彈的實(shí)驗(yàn)。滅火彈至今不成功。我的結(jié)論是沒用。
提問：因?yàn)槭裁丛颍恳话愕臏缁饛椇蜏缁鹌魇前蜒鯕膺M(jìn)行了隔絕。
毛煥宇：不需要氧氣。在油里面，在什么地方都可以炸。
提問：現(xiàn)在的問題就是說，萬一車子炸了怎么辦？
毛煥宇：你不可以讓它炸，F(xiàn)ail-Safe。
提問：萬一炸了呢？
毛煥宇：電池炸了但是不影響整車。
提問：我估計(jì)還是要考慮一下，電池著火以后。
毛煥宇：這是另外一個(gè)問題。
提問：毛博你講了非常實(shí)用的一些方法，你中間講的距離是一種方法，距離肯定跟你單顆電池的能量有關(guān)，多大的電池、多遠(yuǎn)的距離就是安全的？
毛煥宇：一個(gè)很好的問題，我們因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系，很多實(shí)驗(yàn)沒有拿出來。我們同時(shí)做了幾個(gè)電池的引爆。在我這個(gè)系統(tǒng)里面，我這個(gè)距離，這么大的電池是可以的，但是并不等于在你的系統(tǒng)里面能夠?qū)崿F(xiàn)，所以你也要做實(shí)驗(yàn)來證明這個(gè)距離夠了就可以了。我覺得大電池的距離要大的多，但是太大的距離也不可以，我們只好靠移走這個(gè)熱量的這種方式來做。
提問：您好！毛博士，我有一個(gè)小問題想請教一下，你剛才講的內(nèi)短路的時(shí)候，你是自己模擬這個(gè)系統(tǒng)來做，做的很多實(shí)驗(yàn)重復(fù)性都很好，但是你前面也提到一個(gè)問題，這個(gè)電池的內(nèi)短路引起的原因有很多，你怎么把這個(gè)模擬裝置做的更電池內(nèi)短路的情況很接近？
毛煥宇：怎么做的，你個(gè)問題提的很好，我也有答案，但是怎么做的，不好意思，我不可以講，到合適的時(shí)候我也會(huì)公開這個(gè)技術(shù)。
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