7月22日，中国科学技术大学教授、欧盟科学院院士、国家“973”计划首席科学家孙金华，出席2022世界动力电池大会“全球先进动力电池前瞻技术突破”专题论坛，并作题为《动力电池安全研究进展》的主题演讲。孙金华教授对目前动力电池发展态势与火灾形势进行了分析，分享了动力电池热失控机理和火灾行为规律，并介绍了动力电池安全防控的技术体系。

▲中国科学技术大学教授、欧盟科学院院士 国家“973”计划首席科学家孙金华

1、动力电池发展态势与火灾形势

孙金华教授认为，由于动力电池具备各种优越性能，已经在人们的生活、新能源汽车及储能等行业中得到了广泛应用，新能源汽车和电化学储能是动力电池应用最多的领域。目前，中国的电池产量已达到了全球总产能的60%，未来电池的发展目标是高能量密度、高安全、长寿命、低成本。

随着中国电池行业的快速发展，电池相关产业也得到了迅速提升，特别是新能源汽车行业。截至2021年底，中国新能源汽车保有量接近800万辆，今年预计会有500多万辆的销量。根据国际能源署发布的碳中和路线图来看，2030年左右全球新能源汽车年销量将达到5500万辆；到2035年，世界上大部分国家将禁售燃油汽车，全面进入新能源汽车时代。

随着新能源汽车的大力发展，新能源汽车火灾也频繁发生。据应急管理部消防救援局提供的数据显示，2021年全国电动车发生的火灾事故有3000余起。按照近800万辆的新能源汽车保有量测算，起火概率大概在0.03%多一点，比燃油车（0.01%~0.02%）略高。

从事故统计来看，发生火灾事故的新能源汽车有60%搭载的是三元电池，5%是磷酸铁锂电池，还有35%尚不明确。同时，有35%的新能源汽车在充电时发生了火灾，40%在行驶时发生，还有25%是在静止时。汽车处于静止状态的时间最长，但是发生火灾的比例最低；处于充电状态的时间最短，但是发生火灾的比例却高达35%。从一年四季发生火灾的形势来看，在高温期的夏季发生火灾的比例比冬季和其他季节高出许多。

2、动力电池热失控孕育机理

孙金华教授表示，动力电池的正极材料基本上是一些金属氧化物，具有氧化性，而电解液、隔膜材料则是可燃物，具有还原性。电池本体是由这些具有氧化性和还原性的化学物构成，就容易发生热失控及火灾等事故。

孙金华教授团队针对电池材料的分解反应特性、正极材料与电解液反应放热特性、负极材料与电解液反应放热特性、全电池体系总反应放热特性等做了系统的研究，并发展了复杂反应的解耦方法。研究结果表明，全电池材料的反应是非常复杂的，有多个反应存在，有的是放热反应，有的是吸热反应。根据材料分解、材料与材料反应，再结合相关数学分析，如去卷积分析方法等，就可以对全电池材料的总反应进行解耦，揭示电池的热失控机理，并建立了电池热失控的热-电耦合模型，关于电池热失控机理可简要概括如下：

初始热量：充放电循环等物理热积累初始反应：负极表面SEI膜分解隔膜融化：内短路产生大量热诱发系列化学反应主控反应：电解液分解，正极与电解液反应

3、动力电池火灾行为规律

孙金华教授团队建立了一系列多尺度实验平台，从单体电池、电池模组的火灾行为进行了多项研究，涉及的单体电池从小容量的18650电池到大容量的320Ah电池，种类涵盖磷酸铁锂、钛酸锂、钴酸锂、三元等。孙金华教授在报告中分析了锂离子电池火灾行为规律及其危险性，发现荷电状态不同，热释放速率峰值个数不同；荷电状态越高，火灾总释热量越大、热释放速率峰值越高、燃烧时间越短。

针对电池热失控的难易程度，及火灾后的危险程度这两个维度，孙金华教授对电池的危险性进行了分类评价，分成一二三四类。第一类相对最危险，第四类相对最安全。

电池热失控之后喷出来的气体会着火，根据不同测试方法，得到的气体产物也不一样。对热失控气体采样进行气相色谱分析，发现所有种类电池都会产生大量氢气，且比例相差不大；如果对热失控气体进行原位测量分析，测量结果表明，可燃电解液(EC与DMC)约占60%，氢气及其它烃类约占20~25%。这些可燃气体释放特性决定了电池火焰的行为特征，更是电池系统爆炸的根源。

为研究电池模组热失控传播规律，孙金华教授团队搭建了全尺寸电池模组火灾测试平台。研究表明，在电池热失控开始蔓延时，如果不采取任何措施，它的传播速率会逐步递增，即电池间热失控传播的时间间隔会越来越短。对于敞开空间电池模组，其热失控传播的热量主要来自于热传导，火焰辐射影响较小。孙金华教授引援了清华大学电池安全实验室主任冯旭宁的研究成果，研究显示：12%的总热量通过热传导传到相邻电池，就足以导致热失控。

4、动力电池安全防控技术

孙金华教授认为：当前动力电池安全防控技术主要围绕三个层面。

一是电池本体安全，即从材料和工艺等角度提升电池安全性。例如通过添加TPP、CDP、IPPP等阻燃添加剂，以及阻燃添加剂和内部灭火协效的方法，研发出兼备电化学性能和高安全性的难燃型和不燃电解液。

二是电池使用过程中的安全，即强化热失控预测预警技术。目前业内研发出的相关技术可对动力电池火灾进行三级预警，分别为故障预警、热失控预警和火灾报警。

三是消防安全，即研发高效灭火和抗复燃技术。目前，业内已研发出兼具化学灭火功能和物理降温功能的灭火剂，并针对动力电池火灾特性，设计出灭火药剂释放的程序控制方法，实现了带电电池系统的快速灭火，并解决了电池降温和抗复燃问题。

5、安全研究展望

展望未来的电池安全研究，孙金华教授认为，要发展本质安全型动力电池。一方面需要从电池材料体系、全电池系统安全设计以及生产工艺等方面进一步提高动力电池的安全性；另一方面要创新研究高性能、高安全的新型电池，比如固态电池、钠离子电池等。

其次，要研发动力电池的极早期故障诊断与热失控精准预测技术。研发电池及早期故障隐患诊断与热失控精准预测方法和技术、实现电池隐患事故的极早期处置与热失控精准预警。

最后，要发展智能一体化的安全防控技术系统。研发集热管理、故障诊断、热失控预警和灭火协同的智能一体化技术，实现动力电池的高效热管理、智能精准预测、靶向快速处置、清洁高效灭火。