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众专家讨论:如何确保动力锂电池的安全性

日期: 2008-09-26
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  第四届华南锂电(国际)高层技术论坛上,“如何确保动力锂电的安全性;专题讨论的文字实录:

  主持人:现在进行专家讨论,会邀请我们的专家到讲台上来,第一位是克劳斯勃兰特博士,第二位是中村宏教授,第三位是张正铭,第四位是阳如坤,还有贝特瑞的岳敏,还有博士,还有杨晓青,还有曹建华,还有高原来自于FFC,还有姜俊伟,还有赵淑宏,还有白侯善先生。我们今天讨论的题目是《锂电的安全性》,这对锂电来说好像是一个永恒课题,在安全性总是有很多令人担忧的事情。想请各位上来提一些安全性方面的见解。然后下面有什么问题的话可以举手,也可以点名要求上面的嘉宾哪一位回答你们的问题。

  我先提一个问题问一下中村宏博士,因为材料是非常好的,很高容量的材料,但是我并不认为是很不够安全,您觉得您的材料有多安全呢?

  中村宏:这种材料我今天早上跟大家分享了一下,比如说热稳定性确实不是很好,有一些。另外我们正在解决这个热稳定性的问题,有一些怎么样来改善材料的特性,不仅是这个化学成份,还有形态方面、还有其他方面的改进。目前确实做得不是很理想,但是我们相信肯定是会克服的。我想评论的就是容量要更高的话你可能需要想的话就更多了。

  主持人:听起来非常好,非常鼓舞人心,这样让我们有一个希望,将来可以得到高能量也可以高安全。下面邀请下面一位发言人。

  嘉宾:大家早上好!我会用中文来说。对于安全新来说,我觉得我比较赞成约翰做的PPT,我觉得电池是两个方面,一个是材料,一个是设计。材料本身的安全性就像中村宏说的材料的本身安全性用DNC和ARC非常好,他是研究电解材料和材料在不同情况下的安全性。但是对于电池的安全性不仅仅考虑材料的安全性,更重要的是考虑这一个体系的设计。举一个离子,我加拿大我以前的导师我得很好,他研究材料的安全性研究得非常好,包括各种各样的材料,现在国际上有一种硅和硒的负极做得容量非常好,硅和硒的电池对于安全是非常好的,这个电池的本身能量密度高了材料很稳定,但是有一些电池也不是很高的,我们做过实验3.5安时的18650像火焰一样可以持续4.5,但是2.2安时,火焰只能够持续10秒钟。我用英语总结一下,刚才我提到了电池的安全,其中一个就是材料,不材料的稳定性非常重要,阴阳极还有电解质,DNC和ARC都是非常好的一种工具来计算阴阳极的材料和导热,非常好。来计算材料的热稳定在不同的电压下,在不同的温度下。张博士刚才也讲得非常好,他们来研究电池系统整个的安全性和他的稳定性、热稳定性,非常重要,因为他既有材料还有电池的设计、阴阳极,如何去安排它们,怎么样去排放。因为刚才张博士有数据表明,比如说对于三层的这种石墨,我们可以看到这种ABC三个轴,C轴的非常少,如果说你阻隔的AB轴的导热光是C轴会非常安全。中村宏和张先生都谈到了这个材料还有整个系统的设计都要关乎安全。

  嘉宾:我非常同意刚才说的安全性一个与材料有关,一个与设计有关,同时又一个很重要的因素,就是怎么样去制造它?制造过程有没有关系?如果你有最好的材料最好的设计,如果制造的时候搞短路了,这个电池还是会不安全。


  主持人:我想你们肯定介绍给我们是最安全的电池,给我们讲一下。

  托斯顿:我是Phostech的CEO,我在这里就是在推广我们的磷酸铁锂,这是未来的一个阳极材料,我同意刚才所说的,因为现在有一个趋势就是要更高的能量密度及这种能量密度越高电池会越来越热,而且结构越来越高,怎么样控制它改善我们的材料是一个问题。磷酸铁锂能量密度并不是非常好,但是它非常稳定,他是可用的这种密度,并不是特别高。今天下午我会跟大家讲得更多更细一些。因为我们这种能量的密度基本上是我们可以用的,磷酸铁锂它有不可比拟的优势,并不为他本身的内燃进行继续供能量,所以它是很安全的。

  克劳斯勃兰特:大家好!我是各个公司GAIA的总经理,我们非常关心锂电池的生产和安全,我同意刚刚所说的,我们有时候要放弃一点能量的密度确保这个系统的安全,能够若它达到10—20千瓦时的使用,来达到40、50安培小时。我们的系统安全跟我们选择材料有关系,刚才我们提到了怎么去管理电池,比如说其中有100个电芯,电热的管理,在这种大电池组当中怎么样去管理,还有上网本电池当中怎么样去管理,这些都是关乎安全,这些都要求每一个电芯它的电子系统都是分离的、电镀的。很重要的一点就是我们要考讨论到热传导,电芯之间不要进行这种热传导会导致这种失败,最后会形成灾难性的失败或者是失误。我们可能可以遏制一个单独的电芯的危险,但是却不能控制电芯与电芯之间的热传导导致的失败。我们上网本用的这种电池也不能用在大的电池组当中,因为到600电压的时候它就会伤害每一个电池。我们现在要遇到很多的挑战,我们公司已经做好准备来去生产这种更安全的大型的电池,所以我们也要做很多的调查和研发,无论是在电芯水平,也在我们整个的系统水平,这是一个很大的挑战。

  嘉宾:我非常同意刚才所讲的,尤其是张博士所讲的这种安全问题。从系统的角度来看这个安全是很重要的,还有刚才毛博士提到的这种生产过程当中要关注安全。我要谈一点是从材料的这种基本的研究来谈我的想法。我想因为我是在这方面专攻的,所以我有发言权,反则我就没有发言权了。因为有不同水平的方法,因为我们有一种整合的方法是从材料的整合角度来看的,哪一种材料他从本质上就比其他的材料更安全?为什么他们有些会有热崩溃,有些就没有热失控?他把他们排一个序列,什么样的组合是最好的?因为没有任何的一种材料是完美的,我们必须看到他们怎么应对和这些系统阴极、阳极和这种电解质进行反应来决定哪种好、哪种稍次,我想材料是非常重要的一点,就安全来讲。比如说从系统角度来说,元件角度来说,还有其他的这种电子控制的方法来讲都是同样的很重要的方法来保证安全。

  主持人:有更多的评语吗?

  张正铭:虽然我不爱夸夸其谈,但是我还是有些要说,安全是一个很复杂的问题,我们谈论到这种系统、材料等等其他的问题,但是一个我们没有谈到的一个领域。我们需要达成共识,也就是加工的一些技术,尤其我们测试的这种方法论必须达成一致。你怎么能够确保实际操作过程电池不会爆炸?比如说我接受10PVB的这种水平,但是没有任何一种方法能够确保绝对的安全,但是我们需要安全,它是我们计算出来的通过建模计算出来的,但是你知道刚才毛先生等等都谈到了加工的过程,加工生产过程非常重要,我们提到了PVB的水平,不是系统本身就不安全,问题是出在制控当中。我们要谈论到我们的测试方法论或者是我们的标准、我们的规范。政府组织还有像这种联合国的组织,这种交通运输的组织部门、联盟,能源部门、中国信息产业部,他们都有相对于安全的一些规范和标准,使用这种非常有逻辑的科技的方法论来出台这方面的方法没有数据就不要谈。


  嘉宾:我同意你们刚才说的的,我想加一点,现在锂电池它的设计生产的方法论都是从小型的可便携式一直到这种大型的这种电池,这是越来越难管理的。当然我们现在面临这种挑战,我们对这方面管理的要求就越来越高,我们鼓励人们更加创新,因为今天我们管理安全做出了很多的妥协或者是交换,我们又要保证安全、又要不去增加更多的成本和占地面积,这也是要面对现在解决这种大电池安全的问题也是一个挑战,所以我希望看到人们越来越多地创新,相互竞争来重新在设计上提供更多的选择来去进行这种阳极和阴极材料,我并不认为这是一个解决方案,我希望鼓励大家想得更多,更加能够集思广益跳出俗套去思考,去考虑使用什么样的阴极和阳极的材料,尤其是中国。

  安全来说我们今天使用的是小电池,当我们做汽车电池的时候,汽车电池几个数量级,要达到这个安全,我觉得一个重要的是需要创新,我们今天达到的这种安全实际上是一种妥协。因为我们可以做的空间很小,有很多的约束。我们必须要考虑到能不能解除一些电池设计上的约束,这样我们在可需要的设计的材料选择的空间增大的情况下,我们才能从根本上解决大型电池的安全。如果只是用这种小型器械的电阻上解决大电池的安全,没有本质上的创新,我觉得是比较困难的,谢谢!

  嘉宾:大家早上好!我是来自于贝特瑞。作为现在我们锂电池的发展确实面临着一个很大的机遇也有很多的挑战,在锂电池现在面临一个业务的拓展在动力电池的发展,对于安全性能是我们一个急需要要解决的问题,前面好多的专家和教授就这方面问题做了一些研究和汇报。因为电池最终的一个爆炸有可能是一个热点的产生和一些材料的损害,从这方面来说,作为我们贝特瑞作为一个材料的制造商,我们一直就这个问题希望在材料本身从一个电池安全性的源头去思考这个问题,如何解决电池安全性的问题,因为锂电池他是提供一个活性的物质,有人刚才提出这些材料有可能在氧的循环随着循环锂的脱离以后可能结构不会这么稳定,可能释放一些氧出来。我们希望从这些材料去克服,不断地通过一种制造工艺的改变,同时有可能是更多地解决这些正极材料上的缺陷,希望在正极上能够减少氧的释放同时保持它结构上的稳定。我们目前有很多的负极材料,更多的是因为锂跟炭的嵌入性也是非常相似。我们能不能在未来开发一种新的体系出来,锂跟炭的溶度高一点,他的界面反应膜更稳定,他结构稳定的东西在一个高容量,我们目前研究更多的是硒的金属和硅的金属做的替代,还有做一些类似的研究。我觉得作为一个安全性的问题的话,我们是希望从这个安全性的一个源头去找思路、找方法。

  同时,一个电池的安全性是一个体系的问题,不管是从制作工艺做出来以后这个工艺是非常至关重要的,因为正负极怎么样去搭配,怎么样去组装,这是一个很重要的体系。后面的动力电池方面是一个系统,需要有一个自动化,需要一些混合体方面的结合,所以我觉得这个是应该需要更多的团队、更多的人去研究的一个东西。作为我们来说,我们希望从最终的材料本身能够提供一个很好的解决方法,在这边我今天上午学习到了很多,非常谢谢大家!

  曹建华:我想表达一个观点,因为我以前在学习的时候我的专业是高能材料和核武器,我对爆炸有自己的理解,高的能量意味着不安全,我们锂电池一直不断地追求高的能量,也就意味着更不安全,好比一颗炸弹,炸药装的炸弹越多意味着爆炸的威力更大,但是我们看到这个炸弹其实很安全,我们在仓库里面放了十年、二十年也不会炸,制造过程当中也不会炸。只有在我们需要它炸的时候才会一定会炸,这是一个高的可靠性的要求。


  我们做电池也是一样的,相当于能量越高爆炸威力会越大,但是威力越大并不意味着它一定会炸,这只是一个概率的问题。我们所要做的工作就是不断建立这种概率,希望从1PPM、PPPM或者是BM,1BM、1BBM,我们了锂电池离不开它,需要我们从材料到电池的设计、制造,以及锂电池的运行,包括了这个管理系统去克服一系列的困难,来实现他的安全性。大家每一个人都坐飞机,飞机已经离不开你的生活,因为他快捷、便利,但是飞机意味着什么呢?400多公里的速度、1万米的高空,这就是具有高能量的一个东西。从高空跌下以400、500多公里的速度撞击地球,大家想想这是一个什么样的后果?但是飞机很不安全,我们需要的就是一个从原材料、设计、制造到运行管理,整个一套系统的东西来建立它的不安全的概念。

  白候善:大家好!我是来自北京的白候善,很有趣我们去年在这里也是讨论锂离子电池的安全问题,我们讨论的是小型锂电的安全问题。对于动力锂电我们确实认为我们今后面对的首要的一个问题是安全性的问题,关于动力的锂电要产业化也会有其他的一些问题,比如说它的容量、寿命、成本等等,的确是很多的涉及到安全性的问题,因为不这个话要产业化几乎是不可能的。在前面这些年限制动力电池的产业化首先的是一个安全的问题,近两年从业界来看,动力电池的产业化好像显得有些正在加快速度,好像这个问题已经不存在了,我们也没有听说谁生产的动力电池爆炸,刚才杨院士也提到了北京奥运会期间500多辆的电动汽车服务那么长时间也没有听说发生什么事故,似乎这个问题已经不存在了。

  我个人认为动力电池从材料、从设计、从制造来看,这些问题已经基本上解决了,安全性可能在一般的情况下不是一个问题了。为什么今天这个会议还把它作为一个议题来讨论呢?我觉得这个安全的问题不是说你做一批电池甚至个别电池是安全的,而是说将来作为一个产业存在、作为一个行业存在,我们是信任它的,是可以使用它的。因为生命是最宝贵的,安全的问题通常威胁的是生命,它是非常宝贵的,即使是非常小的概率的事件也是不可接受的。我们说得更准确一些,对于动力电池的安全性的问题如何避免大规模生产以后不出现有危险的电池,我觉得这样可能更加准确一些。怎么样解决这个问题?在一般的技术设计问题解决以后,我觉得这个实际上是一个制程的问题,生产质量过程管理的问题,最近大家不再抱怨小型锂电的问题了,说话在业界、技术界、产业界这个问题已经解决了,对于动力电池的问题我相信只要这个问题通过一段时间学习的积累,这个问题也是一定能够解决的。但是我们的确要非常地重视它,在真正的产业化、规模化以后,如果出现一量次事故的话对我们这个产业链会形成一个非常大的影响。这就是我的观点,谢谢!

  阳如坤:大家好我是来自吉阳阳如坤,我在这里很感谢组委会又把这个题目提出来,其实在这之前我有一个很大的顾虑,因为国家也在推这个事情,电动汽车也在不断地出来,很多的企业在迎风而上这个动力电池。我顾虑是什么呢?估计1—2年中国到处出现动力电池爆炸的时候对整个行业可能会有很大的影响,我再次提醒各位的老总上这个电池的时候一定要把安全放在第一位。

  在制程方面我可能比较关注制程方面,我觉得制程很复杂,有一个关键控制住了对安全是很好的。第一是把原料控制住,第二是把水份控制住,第三是把生产安全控制主,第四把质量控制住,把这四各方面控制住和了以后对于动力电池制程安全性方面可能会稍微放心一点。

  嘉宾:我觉得在中国有一个管理的问题,管理跟质量控制的问题,质量控制跟管理有很重要的联系,刚才张博士说到了锂跟负极接触是最容易爆炸的,我们要在上面贴一个胶带,这个胶带都说好了都要这么贴,结果到车间一看它是贴了胶带了,但是该贴的地方没有贴到,不该贴的地方贴了一大块,问题也出现了,没有人管,电池也跑出去了。这种情况也是经常发生。我认为要真正地把中国的电池做安全了,一个非常重要的问题是管理一定要到位,执行力一定要达到这个水平,否则的话刚才说你的设计怎么做也是很难做的,这是其一。


  其二,刚刚杨总说得很对,我认为我们在中国还是要大力提倡自动化工厂,虽然我们中国的人力资源很丰富,但是我跟大家再提一下,人还是一个不可靠的因素,你们到生产线去查,早上5点钟的时候,假设我们是三班倒不停的,你早上5点钟到车间里面去看那是什么状况的,不是早上10点钟有外宾来参观、有总裁跟着来看的时候,早上5点钟到车间去看的时候那个时候是操作什么样的状况,那个时候的质量是不是能够保障呢?是我们刚才提到的PDDD的数量级,10亿个电池里面只允许有1个出事,早上半清醒的状态怎么样保证他在那个时候怎么样生产出可靠的产品和安全的问题。

  主持人:他提了一个非常有意思的观点“人是不可靠的;,这是非常有意思的,现在可以让我们听众来提问了,如果大家有问题的话可以给他们提问。

  【现场提问】刚才各位已经从材料、设计、制造都谈到了电池安全性的问题,我还想回到最原始的那个问题就是材料。我想问一下,因为在座各位已经有正极材料、负极材料、隔膜,独独缺少一个电解液的厂家。我想问一下涉及到这些材料方面,各位还有什么看法,从哪些途径提高我们这些材料的安全性,最终提高我们电池的安全性。

  嘉宾:我们也是做正极材料的,刚才这个问题我试图回答一下。今天有几位专家的报告其实已经提到了,对于动力电池安全性的问题首要的可能还不是材料,第二位可能才是材料,首要的是电池的设计,刚才张教授也谈到了。动力电池发展到今天正极的材料我觉得已经能够满足动力电池安全性的需求了。在小型锂电上钴酸锂可以用的,动力电池上安全性要差一些,但是我们有更好的材料,它的安全性以及变得比较好了,比较能够满足这个要求。我们做正极材料的今后面对的问题是在大规模生产的时候怎么样保持这些材料的一致性,磷酸铁锂这些怎么样解决材料一致性的问题,我们材料将来的生产工艺、设备、整个管理系统要能够满足这个一致性的要求,这样从材料的角度动力电池安全性能够作出一定的贡献。这是我的看法,谢谢!

  【现场提问】我觉得我们讨论安全的时候首先要知道不安全,要做出安全电池首先我们要能够做出不安全的电池。我觉得张先生说到了最根本的问题,就是他要找出我们不安全问题的根本。我们在莫里的时候做过研究,如何在电池充满的时候爆炸,或者是循环50次爆炸,我们做得比较有限,张博士在您的文章里面提到的很多东西跟我们非常类似,我想问一下你是否做过这样的类似实验,这个数据您有没有?第二个问题,刚才提到的大电池、小电池的问题,在Power这个问题上是否按照我以前的认为莫里电池不能做得太大,如果做得太大就会引起爆炸,各位专家是否能够同意我的意见。谢谢!

  张正铭:问题是谈论到电池的安全,不仅仅是一个电池而且是电池循环当中的安全,今天绝大多数的安全测试都是用这种新的电池的测试,我知道这是一个问题,这也会导致很多的问题。大家实际上知道很多的现实当中发生的安全事故并不是说这种新电池,而是这种循环使用的电池,我们确实有很多的测试这种循环使用的电池。比如IEEE1625我们进行了100次的循环测试,所以我希望把这方面的测试继续推进。

  另外,为了回答你的问题,我们怎么去选择这个测试?这个测试的结果有多大程度上是可靠的?比如说我们测试了安全,但是实际上这个电池还是爆炸了,你刚才谈到PPB、PPM等等,刚刚毛先生说过我们要加强制控,我们要控制什么?电池、加工过程、材料的选取,我们都要去选择、都要去控制,这是非常重要的一点。比如说在低于0度以下我们怎么办?那种情况下还想达到我们需要的倍率是非常难的。我想随着技术的改进,我们可以在很低温的时候加高压然后产生很高的容量倍率,但是我们并不鼓励你们在低温之下为这个电池充电,我是指的这个能量电池,并不是功率电池。

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