馮旭寧：發(fā)明儲能電池系統(tǒng)熱失效防護技術(shù)，填補電池應(yīng)用安全技術(shù)空白，未來計劃建立電池?zé)岚踩治雠c設(shè)計理論 | 創(chuàng)新35人專欄

1 月 22 日，由 DeepTech 攜手絡(luò)繹科學(xué)舉辦的“MEET35：創(chuàng)新者說”論壇暨“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”2021 年中國線上發(fā)布儀式成功舉行。來自科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的人士在云端共同見證了新一屆中國青年科技領(lǐng)軍人物登場。

絡(luò)繹科學(xué)邀請到了“創(chuàng)新 35 人” 2021 中國入選者清華大學(xué)助理教授馮旭寧，做客直播間，從儲能電池安全應(yīng)用的創(chuàng)新技術(shù)研究方面與我們進行了分享。 

作為“發(fā)明家”入選的馮旭寧的主要研究集中在儲能電池的安全應(yīng)用以及儲能電池系統(tǒng)集成與優(yōu)化管理上。其因在大尺寸電池的失控量熱技術(shù)的關(guān)鍵突破成功入選“創(chuàng)新 35 人”。

獲獎時年齡：33 歲

獲獎時職位：清華大學(xué)助理教授

獲獎理由：他發(fā)明了儲能電池系統(tǒng)熱失效防護技術(shù)，填補了電池應(yīng)用領(lǐng)域的安全技術(shù)空白。

全球能源低碳化、零碳化轉(zhuǎn)型正推動新能源與可再生能源的加速規(guī)模應(yīng)用?？稍偕茉雌毡榫哂胁▌有?、間歇性等問題，需要儲能技術(shù)進行消納。以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲能技術(shù)，以其靈活、快速、長壽命的優(yōu)點，成為儲能領(lǐng)域裝機容量增長最快的技術(shù)之一，并快速取代了傳統(tǒng)的鉛酸電池和鎳氫電池。

然而，頻發(fā)的儲能電站火災(zāi)，以及每年千余起電動汽車起火事故，引發(fā)了社會對儲能電池系統(tǒng)安全問題的普遍關(guān)注。儲能電池的安全問題成為了儲能技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用過程中，亟需解決的瓶頸技術(shù)問題。

馮旭寧在近十年的研究生涯中，發(fā)明了儲能電池系統(tǒng)熱失效防護技術(shù)，填補了電池應(yīng)用領(lǐng)域的安全技術(shù)空白，在工程技術(shù)領(lǐng)域形成了重要的國際學(xué)術(shù)影響力，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟和社會效益，使得材料科學(xué)研究中產(chǎn)出的更新體系、更低成本、更高比能量的鋰離子電池在儲能系統(tǒng)中能夠安全可靠地運行，為新能源與可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用提供了安全技術(shù)保障，從“電池?zé)岚踩边@一獨特的角度為實現(xiàn)“碳中和”目標做出了貢獻。

電池應(yīng)用領(lǐng)域的全新安全技術(shù)——防患于未然

“面對電池系統(tǒng)的實際應(yīng)用問題，我先開展了廣泛的文獻調(diào)研，通讀了2012年前幾乎所有的電池安全論文。這讓我清楚地認識到，電池安全的核心問題是‘熱失控’。我也在中國汽車技術(shù)研究中心開展過電池安全標準測試實習(xí)，結(jié)合多起事故現(xiàn)象，從實踐中認識到電池安全失效過程包含‘熱誘因’、‘熱失控’、‘熱蔓延’三個階段。電池系統(tǒng)的安全保障技術(shù)，應(yīng)該從這三個階段分別入手，設(shè)定多層級的安全防護方法。層層阻斷并尋求成本最優(yōu)。”馮旭寧介紹了他對電池安全的研究，基于這些研究，他形成了三個主要的側(cè)重研究方向，包括儲能電池的失控量熱測試與災(zāi)害評價技術(shù)；高精度電池系統(tǒng)熱失控模型仿真與蔓延抑制技術(shù)；基于反應(yīng)機理的電池?zé)崾Э貢r序解析與預(yù)警技術(shù)。馮旭寧的研究將電池?zé)崾栴}由不可測變?yōu)闇蚀_可測，由可測變?yōu)槎靠深A(yù)測，由定量可預(yù)測變?yōu)榭烧蛟O(shè)計與提前預(yù)警。

解決電池安全問題的第一步是準確測量

馮旭寧介紹稱，“首先事故災(zāi)害與電池失效釋放的能量緊密相關(guān)，準確的失控能量測試能夠為災(zāi)害防護技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持；其次人類科學(xué)發(fā)展史上，新規(guī)律新理論的發(fā)現(xiàn)都需要以準確的實驗觀測結(jié)果為前提。熱失控問題作為電池安全的核心問題，其得到解決的前提就是其特征的準確測量?！?/span>

大尺寸樣品熱分布不均勻，如何對大尺寸電池的熱失控特性進行準確測量，是解決的電池安全問題的第一步，也是當時電池安全問題研究進展緩慢的關(guān)鍵難點。

馮旭寧對加速量熱儀的內(nèi)部溫場分布進行了分析，開發(fā)了“等熱容物替代+傳感器機械夾持+內(nèi)置溫度傳感器”的量熱儀校準與測試方法，實現(xiàn)了大尺寸電池絕熱熱失控特性的準確測量。

頻繁開展全尺寸失效實驗幾乎是不可能的

“電池?zé)崾Э芈咏９ぷ鞯拈_展十分重要，其原因是：第一，電池系統(tǒng)失效測試的成本極高，頻繁開展全尺寸失效實驗是幾乎不可能的，需要模型仿真技術(shù)來支持安全防護方案的選型；第二，百年的汽車工業(yè)發(fā)展史中，在新產(chǎn)品開發(fā)過程中極致追求效率。先通過數(shù)字化的模型仿真進行方案設(shè)計，然后再生產(chǎn)實物，已經(jīng)形成慣例。但當時在電池安全方面尚無好的模型仿真手段?！瘪T旭寧認為，建立熱失控仿真模型是一項十分有意義的工作，抽象電池?zé)崾Э貦C理并建立高精度的熱失控仿真模型成為他的奮斗目標。

想要成功建模就必須熟知高溫驅(qū)動下的“熱-電-化學(xué)”耦合失效機理。馮旭寧通過設(shè)計量熱實驗，解耦了失效熱溢和固體傳熱之間的定量關(guān)系，在經(jīng)典的電池?zé)峁芾砟Ｐ椭?，引入了反?yīng)物歸一化濃度場的設(shè)置方法，實現(xiàn)了“反應(yīng)物”“反應(yīng)熱”“熱蔓延”三個場的分別解算與合并輸出。這符合熱失控反應(yīng)釋熱機理，也簡化了模型仿真的計算量，在國際上率先實現(xiàn)了電池模組乃至系統(tǒng)熱失控蔓延的高精度模擬計算。

事故預(yù)警越早，越有更多的機會保護車輛乘員的安全

研究電池安全問題的出發(fā)點與落腳點都是為了保護人的安全，讓電池發(fā)生熱失控時就發(fā)出警報，在安全事故不可避免的情況下，降低事故帶來的影響。

對此，馮旭寧進行了具體闡釋，“內(nèi)短路是誘發(fā)電池?zé)崾Э氐墓残原h(huán)節(jié)，結(jié)合內(nèi)短路機理，提煉出電池?zé)崾Э厍暗募毼⑹卣?，就可能盡早地對故障進行預(yù)警。事故預(yù)警越早，越有更多的機會保護車輛乘員的安全，準確的熱失控預(yù)警功能對消費者和企業(yè)都至關(guān)重要?！?/span>

對此，馮旭寧設(shè)計了內(nèi)短路導(dǎo)致熱失控的等效替代測試方法，建立了內(nèi)短路失效的數(shù)字孿生模型，用于生成失效數(shù)據(jù)；解決了電池離散采樣信號的求微分問題，通過基于模型的方法提取電池失效早期異常產(chǎn)熱和自放電的微分信號特征；將提取的失效特征轉(zhuǎn)化為電池狀態(tài)量，實現(xiàn)了對電池失效故障的穩(wěn)定、準確預(yù)報。

有相對安全的電池，但是沒有絕對安全的電池系統(tǒng)

對于電池安全，馮旭寧表示，有相對安全的電池，但是沒有絕對安全的電池系統(tǒng)，事故概率總是大于零的。當事故發(fā)生后，所有人都會關(guān)心事故起因，只有發(fā)現(xiàn)致災(zāi)原因才能從源頭上解決問題。事故調(diào)查的目標就是為了在未來能夠防止類似的事故再次發(fā)生。

對于事故調(diào)查的必要工作，馮旭寧總結(jié)了三點：一是收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，形成時間鏈。需要及時訪問事故發(fā)生時的在場人員、勘察事故現(xiàn)場和調(diào)看事故發(fā)生時的監(jiān)控，而查看大型儲能電站的設(shè)計圖紙也必不可少。二是根據(jù)現(xiàn)場情況反推事故源頭，確定失效誘因。從原始化學(xué)反應(yīng)、電極、單體、模組、簇到最后的系統(tǒng)，推理從小失效起源到大能量釋放的演化過程。三是事故場景模擬重現(xiàn)，最終確認最可能的事故原因。

對于事故致災(zāi)機理，馮旭寧分析表示，電池安全失效過程包含熱誘因－熱失效－熱蔓延三個階段。電池失效有三大誘因，機械誘因、電誘因和熱誘因，在三種誘因的刺激下，單節(jié)電池內(nèi)部或外部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)失控及溫度過高引起熱失效，單節(jié)電池?zé)崾нM一步向整個系統(tǒng)擴展形成熱蔓延。

構(gòu)筑保衛(wèi)電池安全的高墻

為了從主動安全、本質(zhì)安全和被動安全入手為未來的電池安全保駕護航，馮旭寧帶領(lǐng)了 30 多人的團隊，正在從事自毀電池、熱失控前鋒面理論與冷凍技術(shù)和本質(zhì)安全的儲能電池系統(tǒng)等方面的研究。

（1）自毀電池

“自毀電池”是指在電池內(nèi)部植入毒化膠囊，在熱失控發(fā)生前，釋放毒化劑阻斷熱失控主反應(yīng)的一種電池安全設(shè)計理念。馮旭寧帶領(lǐng)團隊以高鎳三元/硅碳負極的 >350Wh/kg 的高比能量鋰離子動力電池為主要研究對象，努力挑戰(zhàn)將 >350Wh/kg 鋰離子電池的熱失控危害降低到 <200Wh/kg 的鋰離子電池的相應(yīng)水平。

近期，該方案取得了一定的突破，部分毒化劑配方已經(jīng)能夠?qū)⑷?811 電池的熱失控最高溫度降低到磷酸鐵鋰的水平，目前正在和部分電池生產(chǎn)企業(yè)開展樣品測試。350Wh/kg 電池的安全性一旦突破，將有望使得純電動汽車在與傳統(tǒng)燃油車競爭中，在動力系統(tǒng)成本、續(xù)航里程兩個方面獲得優(yōu)勢，加快新能源汽車的市場推廣進程。

（2）熱失控前鋒面理論

電池?zé)崾Э販囟雀撸蛇_ 1000℃），速度快（可達 1000℃/s），熱失控瞬間發(fā)生的反應(yīng)過程超出了現(xiàn)有儀器的檢測能力，難以進行準確表征。將時域高速熱失控過程在空間域減速，從而可以獲得豐富的熱失控反應(yīng)產(chǎn)物信息，已成為熱化學(xué)反應(yīng)機理分析的新手段。

馮旭寧近期的試驗結(jié)果已可將三元鋰離子電池的熱失控前鋒面在空間范圍內(nèi)冷凍下來，并在空間范圍內(nèi)見到了與高精度表征儀器測試相同的結(jié)果，且在結(jié)果中發(fā)現(xiàn)了從前未觀測到的反應(yīng)產(chǎn)物。另外在熱失控前鋒面的理論計算方面，馮旭寧也取得了突破，即通過理論推導(dǎo)出了熱失控前鋒面的厚度及其推進速度與電池導(dǎo)熱系數(shù)和熱失控反應(yīng)速率之間的二分之一次方關(guān)系，該關(guān)系式和現(xiàn)有的觀測結(jié)果均能夠吻合，可以進一步控制熱失控前鋒面的推進速度，在空間范圍內(nèi)研究高速的化學(xué)反應(yīng)過程。

據(jù)悉，該項目已獲得了國家自然科學(xué)基金資助。

（3）本質(zhì)安全的儲能電池系統(tǒng)

目前，對鋰離子電池為主的 MWh 級儲能電池系統(tǒng)而言，還沒有有效的滅火控制方案。按照目前國內(nèi)全面整頓儲能電站安全性情況來看，行業(yè)有可能因事故頻發(fā)而停滯不前，甚至改變技術(shù)路線。因此，馮旭寧決定帶領(lǐng)團隊在本質(zhì)安全的儲能電池系統(tǒng)方面開展方案研究。

馮旭寧表示，“我期望達成的目標是實現(xiàn)儲能電池系統(tǒng)意義上的‘失效-安全’（Fail-Safe），即本質(zhì)安全的儲能電池系統(tǒng)。這種技術(shù)使得即使在概率意義上發(fā)生部分電池的失效，也不會對整個電池系統(tǒng)造成很大的影響，更不會出現(xiàn)起火、爆炸等造成人員生命財產(chǎn)損失的惡性事件?！?/span>

馮旭寧和他的團隊將不斷地架設(shè)新體系電池和安全應(yīng)用場景之間的橋梁，將高比能量電池帶出應(yīng)用前的死亡谷，為世界提供“本質(zhì)安全”的儲能電池系統(tǒng)。對于未來計劃，他說，“我希望經(jīng)過 5-10 年的持續(xù)努力，從電池?zé)岚踩珕栴}的相關(guān)研究成果中提煉出基礎(chǔ)理論，建立以熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、材料科學(xué)和安全科學(xué)為基礎(chǔ)的電池?zé)岚踩治隼碚?，并形成‘能源材料失效’的新興學(xué)科發(fā)展契機?！?/span>