2025年电池热失控反应调控技术研究进展报告

电池热失控反应调控技术研究进展汇报人：冯旭宁清华大学车辆学院电池安全实验室SCHOOLOFVEHICLEANDSCHOOLOFVEHICLEAND清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND电池模组/系统热电池燃烧量热b热失控测试与表征b◆现任负责人：冯旭宁◆感谢两位博士导师的倾囊相授，以及对电池安全实验室创立的大力支电池热分析持!材料合成与表征基于模型的电池小型电池试制线电池热分析设计2(清华大学车辆学院+宜宾院士工作站共建)34.电芯落地开发SCHOOLOFVEHICLEAND电子设备电动汽车储能电站电动飞机51.1研究背景1.1研究背景SCHOOLOFVEHICLEAND锂离子电池·优点储能密度高、充放效率高、响应速度快·2015年起，我国新能源汽车产销量世界第一·2023年，我国新建新型储能系统中，锂离子电池占比97.3%*重大安全事故国务院常委会2024.2.23南京雨花台2024.5.15美国加州250MW2024.6.24韩国京畿道工厂BATTERYSTORAGEFIREFLARESUPFBATTERYSTORAGEFIREFLARESUPF2024.4.24电动自行车引发的火灾事故快速增加，严重威胁人民群众清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND热化学反应激发热化学反应激发负极电解液正极ms级反应1000℃/s剧烈温升短路、反应区域快速蔓延致灾7SCHOOLOFVEHICLEAND害程度越高事故概率越大单体失效概率：系统失效概率：害程度越高事故概率越大单体失效概率：系统失效概率：8SCHOOLOFVEHICLEAND需求：有限空间内存储更多能量，满足高功率动力需求问题：电池高能量密度化与安全运行通常矛盾，灾害水平逐步提升储能：磷酸铁锂电池汽车：三元锂电池航空：锂金属电池技术难点◆材料设计：电化学活性高的材料本征热稳定性更差，有机电解液易燃◆电池设计：高能正/负极难以安全利用，当前比能量与安全平衡点难突破300Wh/kg9清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND1.储能固态电极材料具有本征失效温度带2.电极+电解质界面反应影响固态电极材料的本征温度带(液态电解质为稳定性降低)商业化商业化年代串扰诱导9串扰诱导串扰诱导9三元正极三元正极命本征带A正极固态化命本征带A石墨+电解液本征带石墨+电解液⑨D本征带石墨+电解液本征带石墨+电解液⑨D本征带③▲液态/固态8NCM镍含量O石墨10001000特征温度/℃SCHOOLOFVEHICLEAND高能量密度化反应释能时序锂砖合金高镍三元锂金属箔固态化物SCHOOLOFVEHICLEANDSCHOOLOFVEHICLEANDSCHOOLOFVEHICLEAND·研究历史回顾：基于热着火理论展开基于谢苗诺夫图定义热失控度骤然升高的现象”电池热失控析动力学建模·清华团队2012年受宝马委托开始研究电池安全问SCHOOLOFVEHICLEANDSCHOOLOFVEHICLEAND·绝热量热法大幅提升实验可重复性，为电池安全评价提供定量可比的基准·三个特征温度{T₁,T₂,T₃}连接了电池热失控机理与失效释能特征剧烈反应短板效应界面失稳最高温度触发温度Ti临界温度oo最高温度OT₂触发温度最高温度临界温度温度T/℃·大容量加速量热仪EV-ARC:电池绝热热失控测试，获得电池热失控特征池材料反应动力学特性测反应反应反应反应温度/℃X一负极+正极+电解液一负极+正极一负极+电解液一负极+正极一负极+电解液VIILIC,+PvDF一负极一正极论文发表：Fengetal.FrontiersinEnergyResearch,2018专利授权：US10509874B2,2SCHOOLOFVEHICLEANDSCHOOLOFVEHICLEAND·分析物质承载的热化学反应释能机理，揭示热-质耦合意义下的反应时序·对应建立热分析动力学意义下的电池材料热失效谱图5正极热失稳反应释热峰直对应440晶面的出现NormallFengX,.…OuyangM*,Joule,2020,ESIHotPaper.清华大学车辆与运载学院清华大学车辆与运载学院··基于反应物空间物质分布，提出原位/离位反应区模型·建立了电池内部热失控与外部燃烧的本征关系中间物质离位迁移中间物质离位迁移能量核算迁移正极原位激发产氧、过渡金属现有认识10+复杂反应机理模型机理模型3个反应区反应区Ⅱ正极反应区反应区电解液6尺铁锂碳酸2%统铁锂增5--热失控最高温度=喷发混合气温度/℃电池热失控与燃烧之间的关系SCHOOLOFVEHICLEANDWangH,….FengX*.FireandexplosioncharacteristicsofZhaoL,HouJ*,FengX,….OuyangM.TheTrade-offcharacteristicbetweenbatterythermalrunawayandcombustion.EnergyStorageSCHOOLOFVEHICLEANDSCHOOLOFVEHICLEANDSCHOOLOFVEHICLEAND解决思路目标：降低热失控总释能量(能量卸载)③反应毒化③反应毒化清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND串扰·Joule,2020,4(4):743-770;EnergyStorage清华大学车辆与运载学院SCHOOL清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEANDMOBILITYTSINGH热流(热流(wg)负极还原性气体产生负极极片a0诱导正极提前相变86还原性气体攻击层状正极尖晶石相论文发表：WangY,FengX*,WangL*,OuyangM*.Joule,2022,6(12):2810-2820.23清华大学车辆与运载学院清华大学车辆与运载学院TT◆调控机制：电子争夺卸载反应热◆调控方案：反向电流放电，与副反应争夺电子，抑制反应产热、减少还原性气体生成口机理模型负极颗粒界面电模型界面两种电子转移过程的相互竞争关系负极颗粒界面热化学副反应模型P=Pp+PeM考虑负极界面微元论文发表：WangY,FengX*,WangL*,OuyangM*.Joule,2022,6(12):2810-2820.◆◆调控机制：电子争夺卸载反应热相对浓度相对浓度可调电阻反应气体组分检测相对浓度相对浓度可调电阻反应气体组分检测调控组温度稳定未失控对照组8min热失控o超声波气体产量原位检测—0.05C—1c时间/h0论文发表：WangY,FengX*,WangL*,OuyangM*.Joule,2022,6(12):2810-2820.SCHOOLOFVEHICLEANDSCHOOLOFVEHICLEAND◆调控机制：电子争夺卸载反应热◆调控方案：反向电流放电，与副反应争夺电子，抑制反应产热、减少还原性气体生成>调控效果时间延长降低00温度(℃)清华大学车辆与运载学院清华大学车辆与运载学院◆◆调控机制：电子争夺卸载反应热，抑制系统热蔓延◆调控方案：某节电池失控，周围电池小电流放电抑制反应产热，压制热蔓延实验结果对照组实验结果实验组温度降低181.8°℃实验结果对照组实验结果实验组温度降低181.8°℃#3电池未失控0—#1电池最高温度电池均失控蔓延方向蔓延方向电调控机理与实验方案电解液负极e电化学电实验方案热化学反应电子专利：ZL202210788299.6,ZL202210465821.727清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND正负极：储存能量，决定能量密度，失效为其本征属性，不易改变QQQ后!固态本征反应-界面反应I-界面反应II界面反应llllT电解液：参与界面反应，自身分解与燃烧产物紧密相关，具有重要配制价值反应反应热流(W/g)清华大学车辆与运载学院◆调控机制：减少与正极放热量最大的还原性气体含量◆调控方案：通过电解液配方调制反应机理反应机理串扰串扰产热量(3g)00温度(℃)电解液调制方案电解液调制方案正极与电解液反应起始温度正极与电解液反应起始温度。SCHOOLOFVEHICLEANDSCHOOLOFVEHICLEAND反空反空负极正极EC-Free电解液提升电池热临界温度T₂电触发温度提升67℃对照组对照组清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEANDMOBILITYTSINGH清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEANDMOBILITYTSINGHFengX*,XieY,HeX,etal.UnderRevie厂言6842循环圈数膜厚循环圈数SCHOOLOFVEHICLEANDSCHOOLOFVEHICLEANDFengX*,XieY,HeX,etal.UnderReview.42Ah811/Gr软包电池安全性能H₂含量下降10.5%,CO₂含量上升5.7%对照4130℃→170℃清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEANDMOBILITYTSINGHUA清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEANDMOBILITYTSINGHUALLEnergylevel(eV)Energylevel(eV)oOuyang,etal.AdvancedEnergyMaterials,2024,2402638SCHOOLOFVEHICLEANDSCHOOLOFVEHICLEAND◆调控效果：良好的电化学性能、循环性能；高温热箱耐受200℃不起火高温界面封锁高温界面封锁应四高温界面封锁高温界面封锁应四时间/s0肆aJunxianHou,QinyuShi,XuningFeng*,LiWang,MinggaoOuyang,et清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND车毁人活失效自毁能量卸载车毁人活达到SCHOOLOFVEHICLEANDSCHOOLOFVEHICLEAND问题：大型电池系统电池数量众多，需要“自限性”的电池热失控特性目标：降低热失控总释能量(能量卸载)方案：基于反应时序进行调控，调控机制由升温触发，基本不降低比能量自毁前自毁后自毁机制的触发由失效能量提供2021.4.16大红门储能电站事故自毁前自毁后自毁机制的触发由失效能量提供2021.4.16大红门储能电站事故清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND反应抑制卸载原反应卸载新路径新路径車清华大学车辆与运载学院車清华大学车辆与运载学院等)的链式反应，提前消耗掉反应区材料，降低氧化还原气体的排放量，弱化Crosstalk反应热温度温度反VI:C₃H₄O₃(EC)+H₂O→(CH₂OHD)₂(EG)VII:2LiCx+2H₂O→2LiOH+十个反应毒化：调控反应论文发表：Wang,Feng,OuyangetalJoule,2022:Lai,Fengetal.Journalof車清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND車清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND全电池毒化剂验证效果全电池毒化剂验证效果車SCHOOLOFVEHICLEANDMOBILITYT車SCHOOLOFVEHICLEANDMOBILITYT>毒化剂的储运>毒化剂的储运目前主要基于三种形式：分别是1)毒化层2)毒化微胶囊和3)毒化毒化层放置于卷芯两侧，选取合适的封装材料保证电解液的腐蚀。封装：PE膜②毒化微胶囊设计bdcgfug四egfug四一PETfimDippngSefl-destructivefQCalndaringSefdestuctiecc0PET纺丝膜浸渍间苯三酚自毁剂论文发表：Fengetal.Journalof車車SCHOOLOFVEHICLEAND··发明思路：通过制备异质结构金属涂层的复合集流体，利用基材与涂层的延展性差异，使其在拉伸或者弯曲载荷下，涂层断裂，切断电子通路，实现物理自毁设计思路PETPET基材的Al-Al₂O₃三明治结构集流体Nail×PET高延展性Al-Al₂O;夹层结构-低延展性20%30%40%(136MPa)制备效果针刺测试针刺测试··以PET为基材且Al-Al₂O₃相间存在的复合集流体，通过金属层断裂的方式，切断针刺过程中的电子通路，完全做到针刺O短路，大幅提高电池安全性。車車SCHOOLOFVEHICLEAND“目的：调控热失控化学反应气的逸出时间和热量，消除正负极之间的气体串扰反应测试结果表明，该物理自毁方式可大幅降低热失控最高原始隔膜高强度隔膜+排气阀原始隔膜强化隔膜阻隔作用强化隔膜阻隔作用反应1EC专利授权：CN2022225906547,2022;CN2022225906513,2022;EnSM,20专利授权：SCHOOLOFVEHICLEAND产品参数及关键技术电芯参数关键技术本征安全电解液原位固化技术无人机等无人机、电摩、AGV、机器人以及便携式储能等纳米级均匀固化能量密度标称电压放电倍率高安全核心机理使用温度优势IIⅢ电芯尺寸mattionsGWh级供应能力电池体系高镍-石墨/硅能量密度标称容量标称电压放电倍率使用温度循环次数电芯尺寸清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND六六DSND巷爬清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND密歇根大学联培导师：JingSun,HueiPeng中国科协青托导师：艾新平，王芳XiangYL,XuGL,ZhangFN,ZhangQ,ZhangSC,Zhang姓名姓名马仡男姓名姓名张梦启姓名姓名金昌勇彭勇创业企业：四川新能源汽车创新中心、赛科检测、清安能源、昇科能源、智锂物联、科易动力、清安储能、链宇科技微信同)清华大学车辆与运载学院SCHOOLOFVEHICLEAND电池热失控反应调控技术研究进展电池安全实验室2024年8月9日SCHOOLOFVEHICLEANDSCHOOLOFVEHICLEAND方案方案2:力的放大化装置设计目的：放大单体电池热失控时的膨胀力，破坏模组夹具，大幅降低相邻电池间传热效果：侧向加热结果表明，成功实现了机械结构自毁，并只有第一节发生热失控作用在Holder上的作用力的放大系数，实际中约为5倍左右>仅右侧第一节电芯被侧向加热至热失控，且崩出，其他节完好InitialstateHoldejellyrollof论文发表：ChenS,FengX*,DaiH*etal.RenewableandSustainableEnergyReview贡献1:贡献2:贡献2:模型快速复现2h事故蔓延过程，促进SCHOOLOFVEHICLEANDMOBILITYTSINGH04-1700:42来自HUAWEP20Pro【警情通