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  随着手机、电动汽车的普及,锂电池在人们的生活中发挥着越来越重要的作用。然而,锂电池固有的热失控所引发的电动车、储能电站起火爆炸事故,也让锂电池安全成了一个不容忽视的问题。这也是锂电池行业长期面临的技术挑战。

  在日前召开的四川省科学技术奖励大会上,电子科技大学向勇教授团队作为第一完成单位的“基于多场感知与自主阻燃的锂电池安全管控关键技术及应用”项目,获得四川省科学技术进步奖一等奖。“怎样提高锂电池的安全性,降低电池过热爆炸风险,是一道必过的坎。”向勇说,为了过这道坎,他和团队探索奋斗十余年。

  攻克锂电池安全三大难题

  “从2012年起,我们逐步研制开发了配套完善的电化学高通量表征平台,在锂电池电解质、电极材料、封装材料等研究上取得一系列成果。”向勇说,他和团队开始尝试将电化学高通量表征技术应用到锂电池全生命周期安全性能动态变化的研究,但在研发过程中,他们发现现有的表征手段监控的参量,不足以直观反映锂电池的热失控风险。

  在向勇看来,锂电池热失控过程涉及制造瑕疵、老化劣化、管理失效、异常环境工况等因素,以及生产制造、存储运输、服役使用等环节,诸多技术难题亟待攻克。

  “解决锂电池全生命周期安全管控主要有三个要攻克的难题。”向勇告诉科技日报记者,锂电池热失控实时监测是第一道难题,其难在不能在电池内部埋置常规传感器,只能依靠外部信号传感来推测电池安全状态,这就会导致监测数据不够精确。

  “锂电池热失控过程预警防护是第二道难题。”向勇说,锂电池热失控后采取的措施通常是“一刀切”,即关闭整个电源系统,这种措施无法从根本上杜绝安全事故,且会损害电源系统服役可靠性。

  “锂电池起火后燃烧阻断是第三道难题。”向勇说,锂电池电解液中,有机溶剂受热分解会产生易燃易爆成分,与氧气混合后成为锂电池起火爆炸的根源。因此,锂电池一旦起火,燃烧阻断难度极大。

  厘清研发难题,选定研发方向后,向勇团队联合四川省安全科学技术研究院、四川省产品质量监督检验检测院、中国铁塔股份有限公司四川省分公司、西南石油大学等产学研用单位,围绕锂电池全生命周期安全状态的监测与管控展开了深入研究探索。在向勇牵头抓总下,参研单位通力协作、联合攻关,在理论研究、技术开发、应用推广等领域各自发挥所长。

  “我们研发成功了多参量薄膜传感器与锂电池集流体原位制备集成技术,实现了一体化集成,解决了传感器‘埋得进、测得准、传得出、影响小’的关键技术挑战。”向勇说,团队自主开发了人工智能电化学对抗迁移学习专用算法,结合前期开发的精准设计模型,一举把故障电池识别准确度提升到了98.6%;自主开发的高通量电解液配制与筛选技术及相关装置,筛选效率提升100倍,实现了电解液阻燃性能与电化学性能的快速优化。

  2022年4月24日,以著名锂电池专家吴锋院士为组长的专家组对向勇团队研发的锂电池安全系列技术成果进行了评价。专家组一致认为:“该成果属国际前沿技术领域,指标、模型预测精度和电解液自熄时间等方面均处于国际领先水平。”

  累计创造经济效益超10亿元

  从2019年开始,中国铁塔能源公司把项目成果应用于中国铁塔通信基站电源系统,支撑实现了四川全省通信基站备电系统逾50万组锂电池的实时在线监测,预警锂电池安全风险2万余次,预警成功率100%,安全退服故障电池13000余只,排除火灾风险隐患1500余次,有力地保障了铁塔通信基站无一例锂电池热失控事故安全运行。

  上海空间电源研究所应用这项成果很好地解决了锂电池模组突发安全失效的问题。目前,这项技术已应用于风云四号02星、新技术试验卫星等多个型号;四川长虹电源有限责任公司基于该项目成果开发出了电芯、配件高重量比、高密度集成特种电源。

  2019年10月,湖北亿纬动力有限公司引入项目技术成果后,进一步开发出锂电池在线容量预测技术,并成功将新技术应用于现有产线改造和新产线建设,有效提升了锂电池产线生产能力。

  向勇对记者表示,项目成果的推广应用,可助力研制出高安全、高可靠的新型锂电池产品,同时消除生产安全风险隐患,还可助力开发出新型锂电池安全管理系统,提升锂电池系统安全管控水平。“尤其对锂电池用户,能够降低锂电池热失控事故率、减少灾害损失、节约运维成本。”

  数据显示,自2019年3月以来,该项目成果已累计创造经济效益超10亿元,并产生出广泛的社会效益,为服务国家重大、重点工程发挥作用。

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作者 绿色经济网

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