馮旭寧：發(fā)明儲能電池系統熱失效防護技術(shù)，填補電池應用安全技術(shù)空白，未來(lái)計劃建立電池熱安全分析與設計理論 | 創(chuàng )新35人專(zhuān)欄

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

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，從儲能電池安全應用的創(chuàng )新技術(shù)研究方面與我們進(jìn)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用以及儲能電池系統集成與優(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(shí)年齡：33 歲

獲獎時(shí)職位：清華大學(xué)助理教授

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

全球能源低碳化、零碳化轉型正推動(dòng)新能源與可再生能源的加速規模應用?？稍偕茉雌毡榫哂胁▌?dòng)性、間歇性等問(wèn)題，需要儲能技術(shù)進(jìn)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(cháng)壽命的優(yōu)點(diǎn)，成為儲能領(lǐng)域裝機容量增長(cháng)最快的技術(shù)之一，并快速取代了傳統的鉛酸電池和鎳氫電池。

然而，頻發(fā)的儲能電站火災，以及每年千余起電動(dòng)汽車(chē)起火事故，引發(fā)了社會(huì )對儲能電池系統安全問(wèn)題的普遍關(guān)注。儲能電池的安全問(wèn)題成為了儲能技術(shù)大規模推廣應用過(guò)程中，亟需解決的瓶頸技術(shù)問(wèn)題。

馮旭寧在近十年的研究生涯中，發(fā)明了儲能電池系統熱失效防護技術(shù)，填補了電池應用領(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(zhù)的經(jīng)濟和社會(huì )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中能夠安全可靠地運行，為新能源與可再生能源的大規模應用提供了安全技術(shù)保障，從“電池熱安全”這一獨特的角度為實(shí)現“碳中和”目標做出了貢獻。

電池應用領(lǐng)域的全新安全技術(shù)——防患于未然

“面對電池系統的實(shí)際應用問(wèn)題，我先開(kāi)展了廣泛的文獻調研，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(wèn)題是‘熱失控’。我也在中國汽車(chē)技術(shù)研究中心開(kāi)展過(guò)電池安全標準測試實(shí)習，結合多起事故現象，從實(shí)踐中認識到電池安全失效過(guò)程包含‘熱誘因’、‘熱失控’、‘熱蔓延’三個(gè)階段。電池系統的安全保障技術(shù)，應該從這三個(gè)階段分別入手，設定多層級的安全防護方法。層層阻斷并尋求成本最優(yōu)?！瘪T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(gè)主要的側重研究方向，包括儲能電池的失控量熱測試與災害評價(jià)技術(shù)；高精度電池系統熱失控模型仿真與蔓延抑制技術(shù)；基于反應機理的電池熱失控時(shí)序解析與預警技術(shù)。馮旭寧的研究將電池熱失效問(wèn)題由不可測變?yōu)闇蚀_可測，由可測變?yōu)槎靠深A測，由定量可預測變?yōu)榭烧蛟O計與提前預警。

解決電池安全問(wèn)題的第一步是準確測量

馮旭寧介紹稱(chēng)，“首先事故災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害防護技術(shù)提供基礎數據的支持；其次人類(lèi)科學(xué)發(fā)展史上，新規律新理論的發(fā)現都需要以準確的實(shí)驗觀(guān)測結果為前提。熱失控問(wèn)題作為電池安全的核心問(wèn)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(jìn)行準確測量，是解決的電池安全問(wèn)題的第一步，也是當時(shí)電池安全問(wèn)題研究進(jìn)展緩慢的關(guān)鍵難點(diǎn)。

馮旭寧對加速量熱儀的內部溫場(chǎng)分布進(jìn)行了分析，開(kāi)發(fā)了“等熱容物替代+傳感器機械夾持+內置溫度傳感器”的量熱儀校準與測試方法，實(shí)現了大尺寸電池絕熱熱失控特性的準確測量。

頻繁開(kāi)展全尺寸失效實(shí)驗幾乎是不可能的

“電池熱失控蔓延建模工作的開(kāi)展十分重要，其原因是：第一，電池系統失效測試的成本極高，頻繁開(kāi)展全尺寸失效實(shí)驗是幾乎不可能的，需要模型仿真技術(shù)來(lái)支持安全防護方案的選型；第二，百年的汽車(chē)工業(yè)發(fā)展史中，在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中極致追求效率。先通過(guò)數字化的模型仿真進(jìn)行方案設計，然后再生產(chǎn)實(shí)物，已經(jīng)形成慣例。但當時(shí)在電池安全方面尚無(wú)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，抽象電池熱失控機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動(dòng)下的“熱-電-化學(xué)”耦合失效機理。馮旭寧通過(guò)設計量熱實(shí)驗，解耦了失效熱溢和固體傳熱之間的定量關(guān)系，在經(jīng)典的電池熱管理模型中，引入了反應物歸一化濃度場(chǎng)的設置方法，實(shí)現了“反應物”“反應熱”“熱蔓延”三個(gè)場(chǎng)的分別解算與合并輸出。這符合熱失控反應釋熱機理，也簡(jiǎn)化了模型仿真的計算量，在國際上率先實(shí)現了電池模組乃至系統熱失控蔓延的高精度模擬計算。

事故預警越早，越有更多的機會(huì )保護車(chē)輛乘員的安全

研究電池安全問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)與落腳點(diǎn)都是為了保護人的安全，讓電池發(fā)生熱失控時(shí)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(lái)的影響。

對此，馮旭寧進(jìn)行了具體闡釋?zhuān)皟榷搪肥钦T發(fā)電池熱失控的共性環(huán)節，結合內短路機理，提煉出電池熱失控前的細微失效特征，就可能盡早地對故障進(jìn)行預警。事故預警越早，越有更多的機會(huì )保護車(chē)輛乘員的安全，準確的熱失控預警功能對消費者和企業(yè)都至關(guān)重要?！?/span>

對此，馮旭寧設計了內短路導致熱失控的等效替代測試方法，建立了內短路失效的數字孿生模型，用于生成失效數據；解決了電池離散采樣信號的求微分問(wèn)題，通過(guò)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化為電池狀態(tài)量，實(shí)現了對電池失效故障的穩定、準確預報。

有相對安全的電池，但是沒(méi)有絕對安全的電池系統

對于電池安全，馮旭寧表示，有相對安全的電池，但是沒(méi)有絕對安全的電池系統，事故概率總是大于零的。當事故發(fā)生后，所有人都會(huì )關(guān)心事故起因，只有發(fā)現致災原因才能從源頭上解決問(wèn)題。事故調查的目標就是為了在未來(lái)能夠防止類(lèi)似的事故再次發(fā)生。

對于事故調查的必要工作，馮旭寧總結了三點(diǎn)：一是收集現場(chǎng)數據，形成時(shí)間鏈。需要及時(shí)訪(fǎng)問(wèn)事故發(fā)生時(shí)的在場(chǎng)人員、勘察事故現場(chǎng)和調看事故發(fā)生時(shí)的監控，而查看大型儲能電站的設計圖紙也必不可少。二是根據現場(chǎng)情況反推事故源頭，確定失效誘因。從原始化學(xué)反應、電極、單體、模組、簇到最后的系統，推理從小失效起源到大能量釋放的演化過(guò)程。三是事故場(chǎng)景模擬重現，最終確認最可能的事故原因。

對于事故致災機理，馮旭寧分析表示，電池安全失效過(guò)程包含熱誘因－熱失效－熱蔓延三個(gè)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，單節電池內部或外部發(fā)生化學(xué)反應失控及溫度過(guò)高引起熱失效，單節電池熱失效進(jìn)一步向整個(gè)系統擴展形成熱蔓延。

構筑保衛電池安全的高墻

為了從主動(dòng)安全、本質(zhì)安全和被動(dòng)安全入手為未來(lái)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等方面的研究。

（1）自毀電池

“自毀電池”是指在電池內部植入毒化膠囊，在熱失控發(fā)生前，釋放毒化劑阻斷熱失控主反應的一種電池安全設計理念。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(dòng)力電池為主要研究對象，努力挑戰將 >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)能夠將三元 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(kāi)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(dòng)汽車(chē)在與傳統燃油車(chē)競爭中，在動(dòng)力系統成本、續航里程兩個(gè)方面獲得優(yōu)勢，加快新能源汽車(chē)的市場(chǎng)推廣進(jìn)程。

（2）熱失控前鋒面理論

電池熱失控溫度高（可達 1000℃），速度快（可達 1000℃/s），熱失控瞬間發(fā)生的反應過(guò)程超出了現有儀器的檢測能力，難以進(jìn)行準確表征。將時(shí)域高速熱失控過(guò)程在空間域減速，從而可以獲得豐富的熱失控反應產(chǎn)物信息，已成為熱化學(xué)反應機理分析的新手段。

馮旭寧近期的試驗結果已可將三元鋰離子電池的熱失控前鋒面在空間范圍內冷凍下來(lái)，并在空間范圍內見(jiàn)到了與高精度表征儀器測試相同的結果，且在結果中發(fā)現了從前未觀(guān)測到的反應產(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(guò)理論推導出了熱失控前鋒面的厚度及其推進(jìn)速度與電池導熱系數和熱失控反應速率之間的二分之一次方關(guān)系，該關(guān)系式和現有的觀(guān)測結果均能夠吻合，可以進(jìn)一步控制熱失控前鋒面的推進(jìn)速度，在空間范圍內研究高速的化學(xué)反應過(guò)程。

據悉，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

目前，對鋰離子電池為主的 MWh 級儲能電池系統而言，還沒(méi)有有效的滅火控制方案。按照目前國內全面整頓儲能電站安全性情況來(lái)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(xiàn)。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方面開(kāi)展方案研究。

馮旭寧表示，“我期望達成的目標是實(shí)現儲能電池系統意義上的‘失效-安全’（Fail-Safe），即本質(zhì)安全的儲能電池系統。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(huì )對整個(gè)電池系統造成很大的影響，更不會(huì )出現起火、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新體系電池和安全應用場(chǎng)景之間的橋梁，將高比能量電池帶出應用前的死亡谷，為世界提供“本質(zhì)安全”的儲能電池系統。對于未來(lái)計劃，他說(shuō)，“我希望經(jīng)過(guò) 5-10 年的持續努力，從電池熱安全問(wèn)題的相關(guān)研究成果中提煉出基礎理論，建立以熱力學(xué)、化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)和安全科學(xué)為基礎的電池熱安全分析理論，并形成‘能源材料失效’的新興學(xué)科發(fā)展契機?！?/span>