一级消防工程师：锂离子电池火灾防控技术取得新突破
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锂离子电池火灾防控技术取得新突破
中国科学技术大学是中国科学院所属的一所综合性全国重点大学，以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理和人文学科，是国家首批实施“985工程”“211工程”和“双一流”建设大学之一。中科大火灾科学国家重点实验室(简称“火灾实验室”)是我国唯一的火灾科学基础和应用基础研究的国家级重点研究机构，在国际火灾科学领域具有重要影响力和学术地位。火灾实验室承担的科研项目“锂离子电池火灾危险性及其防控技术”取得了多项新技术的突破，2018年6月，该项目获得了第八届中国消防协会科技创新奖一等奖。
安全性问题急需解决锂离子电池具有高电压、高比能量、长循环寿命等卓越性能，在消费电子领域成为主导电源，并已在光伏储能、核电储能、风力储能、飞机等产业领域得到应用，尤其是新能源汽车行业蓬勃发展，就目前而言，锂离子电池是新能源汽车的“心脏”。然而，锂离子电池热失控引发的火灾爆炸事故屡见报端，安全性问题成为阻碍锂离子电池在电动汽车、储能产业大规模商业化应用的主要原因之一。国内外关于锂离子电池火灾危险性及其防控技术方法的研究非常有限，而且研究对象主要是小型电池，或者由小型电池组成的电池组，而锂离子电池的安全性与电池的大小、容量有关。商用小型电池，比如手机、摄像机、笔记本电脑所用的电池一般是由3Ah左右的方形或圆柱形(18650)电池构成，电池重量大概在10~30g之间。相比之下，电动自行车所用电池模组的重量在3~4kg之间，电动摩托车所用电池模组重量约为15~20kg，混合电动汽车所用电池模组重约30~100kg，纯电动汽车所需电池模组重约300~400kg，储能电站所需电池模组重约1000kg以上。随着电池应用的规模扩大，单位空间内的能量密度增强，加大了其火灾爆炸事故风险，因此，亟需开展大型高能量锂离子电池的火灾危险性研究。2002年，火灾科学国家重点实验室副主任、工业火灾研究室主任孙金华教授从日本回国，主持中科院“百人计划”项目、973项目子课题、国家自然科学基金面上项目等国家和省部级重要科研课题10余项。他在研究过程中，敏锐地发现，作为一种新兴的能量载体，锂离子电池在消费电子、电动汽车等产业领域有着广泛的应用前景。但锂离子电池火灾爆炸事故时有发生，而国内外对锂离子电池火灾的认识极其匮乏，已成为阻碍锂离子电池大规模商业化应用的关键一环。面对重大安全科技需求，在国内外研究资料严重不足的情况下，孙金华提前布局，组建锂离子电池安全研究团队，开展前瞻研究。孙教授特别安排王青松博士针对锂离子电池安全方面问题这一“冷门课题”开展系统研究，并成立了火灾实验室锂离子电池安全研究团队。研究团队获得了国家自然科学基金等项目的资助，单位对本项目也高度重视，提供了良好的科研平台和科研环境，建设有锂离子电池热安全实验台、锂电池火灾实验台、锂电池热仿真计算平台、全尺寸热释放速率实验台等平台，购置了C80微量量热仪、加速量热仪、差示扫描量热仪(DSC)、红外热像仪、高速摄像仪、综合热分析仪、锥型量热仪等仪器，为本项目的顺利开展提供了实验条件保障。
迎难而上创新研究成果锂离子电池的火灾安全问题主要来自电池的热失控，为此，王青松等项目团队成员甘坐科研“冷板凳”，迎难而上、不断挑战自我，在困境中勇往直前、毫不退缩，采用安全系统工程原理，从锂离子电池的热失控灾害孕育、灾害发生及灾害防控等方面开展了系统研究。针对国内外在电池火灾危险性方面研究的严重不足，项目团队建立了大型高能量锂离子电池全尺寸火灾行为测试平台。在不断的反复实验中，研究团队首次发现锂离子电池具有多次射流火的特殊现象，并将锂离子电池的火灾行为划分为六个阶段：电池膨胀、第一次喷发射流火、稳定燃烧、第二次喷发射流火及稳定燃烧、第三次喷发射流火及稳定燃烧、火焰减弱至熄灭。为进一步揭示锂离子电池多次射流火机制，提出使用去卷积分析方法，分析每个产热阶段具体的热流峰。通过对电极材料的热分析发现，多次射流火是正极材料在高温下分解释放大量的热和氧，与电解液分解产生的可燃性气体混合，发生强烈燃烧或导致爆炸。锂离子电池电解液是锂离子穿梭于正负极之间的纽带与桥梁，具有“锂离子电池血液”的美誉。由于电解液具有易分解性和可燃性，因此提高锂离子电池的安全性一直是该领域的难题。项目团队的研究表明，导致电池热失控的热量主要来自其内部的化学反应热，因此，研究能够抑制电池内部反应的阻燃添加剂，可抑制热失控反应的发生。基于此，团队系统研究了磷酸酯系列添加剂，以及复合型添加剂等对电池电解液、正极、负极和全电池的电性能及热稳定性的影响规律，并提出了阻燃剂抑制电池热失控发生的自由基捕获阻燃机理。一步步的发现让团队的人员信心大增，接着，团队又研发了锂离子电池本质安全型电解液，在这个研究过程中，进一步探索了本质安全型锂离子电池体系。添加阻燃剂后，电解液在高温时形成焦炭，阻止了电解液的分解和燃烧，有效改善了锂离子电池的安全性，而且对全电池的电化学性能几乎没有影响，从而初步解决了锂离子电池的安全性与电化学性能不兼容的矛盾，提高了电池的本质安全性。对锂离子电池的火灾危险性研究发现，电池发生火灾时会出现多次射流火现象，而现有消防装备和设计均为一次灭火，因此，电池的特有火灾现象对消防设计是一大技术挑战。针对锂系电池消防难题，项目团队提出了锂离子电池系统的三级温度控制策略，并首次设计出具备二次灭火功能的消防设计方案，即两套灭火装置共用一个消防柜，实现对两个电池储能单元的灭火保护，两套灭火装置相互独立且互为备用，整体具备二次灭火功能。该方法有效地解决了锂电池体系的消防技术难题，不仅是一种智能、高效的消防装置设计方法，同时进一步发展完善了火灾防治技术。
为社会带来更加安全的环境近年来，在国内新能源汽车蓬勃发展的背景下，汽车由燃油转向“燃电”，锂离子电池作为目前最优的动力来源选择，具有巨大的行业需求。2018年新能源乘用车的销量为125万辆，保守估计，到2020年，新能源乘用车保有量将突破380万台，新能源总保有量有望突破500万辆。截至2018年9月底，全球已投运电化学储能项目的累计装机规模为4037.6MW，其中我国装机规模已达649.7MW。据预测，到2020年，我国电化学储能累计装机规模将达2GW。项目团队经过十余年的探索，在锂离子电池的本质安全技术、火灾爆炸预测预警技术以及消防控制技术等方面取得突破性和原创性进展。研发的锂离子电池安全电解液在电池企业得到应用，提高了电池的本质安全，降低了电池的火灾风险，使其顺利通过安全国标GB/T 31485―2015《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》的检测。开发的多级安全防控技术“填补了国内锂离子电池火灾危险性分析和消防研究方面的空白”，为锂离子电池的安全使用提供了安全技术保障。令人欣慰的是，锂离子电池温控策略、消防系统设计等方面的研究成果已成功应用于南方电网某电池储能站，目前已安全运行5年，充分发挥了持续安全供电功能，项目成果的应用产生了显著的经济效益和社会效益。
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