中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：3月23日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦并聯(lián)合500余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十五屆儲(chǔ)能大會(huì)暨展覽會(huì)（簡(jiǎn)稱“CIES2025”）在杭州國(guó)際博覽中心召開(kāi)。
CIES大會(huì)以“綠色、數(shù)智、融合、創(chuàng)新”為主題，針對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)等重點(diǎn)、熱點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題展開(kāi)充分探討，分享可持續(xù)發(fā)展政策機(jī)制、資本市場(chǎng)、國(guó)際市場(chǎng)、成本疏導(dǎo)、智能化系統(tǒng)集成技術(shù)、供應(yīng)鏈體系、商業(yè)模式、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、示范項(xiàng)目應(yīng)用案例、新產(chǎn)品以及解決方案的普及和規(guī)模化工程應(yīng)用。
在3月24日下午進(jìn)行的儲(chǔ)能專用電池及ESG綠色低碳發(fā)展專場(chǎng)中，清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院綠色儲(chǔ)能研究所所長(zhǎng)陳永翀做了題為《半開(kāi)放儲(chǔ)能鋰離子電池的全產(chǎn)業(yè)鏈本征安全技術(shù)》的主題報(bào)告演講。
以下內(nèi)容根據(jù)大會(huì)發(fā)言整理提煉，僅供參考。
清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院綠色儲(chǔ)能研究所所長(zhǎng)陳永翀
各位朋友好！今天我的報(bào)告主要是交流兩個(gè)問(wèn)題，第一，什么是本征安全；第二，什么是半開(kāi)放儲(chǔ)能鋰離子電池。
本征安全這個(gè)概念，它還有另外一個(gè)概念，叫本質(zhì)安全，我們的論文里最早提的是本質(zhì)安全。在去年，工信部用了本征安全這個(gè)概念，國(guó)家消防救援局用了本質(zhì)安全這個(gè)概念。概念非常重要，而且一定要有標(biāo)準(zhǔn)，我們?cè)诘谝粋€(gè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)里統(tǒng)一采用了“本征安全”這個(gè)概念?？赡芪覀儠?huì)覺(jué)得水系的鉛酸電池、液流電池本征安全好像能夠理解，因?yàn)樗鼈兊碾娊庖菏撬档?，不能直接點(diǎn)燃；早期鋰離子電池電解液相對(duì)易燃，所以是非本質(zhì)安全，這是最樸素的早期理解，但現(xiàn)在情況早已不是這樣?，F(xiàn)在的鋰離子電池電解液也不會(huì)一點(diǎn)就著。如果不是一點(diǎn)就著，是否屬于本征安全或者本質(zhì)安全呢？也不是。那么到底什么是鋰離子電池的本征安全？另外，我們要解決鋰離子電池的本征安全，路徑有哪些？我們是怎么做的？
回答這兩個(gè)問(wèn)題之前，我覺(jué)得產(chǎn)業(yè)方面，大家還是要有信心，這幾年和國(guó)際形勢(shì)有關(guān)系，本來(lái)我們國(guó)家60%以上的電池都是面向海外出口的，外部一打壓就造成了結(jié)構(gòu)性的過(guò)剩。當(dāng)然，我們自身也有問(wèn)題要解決，就是儲(chǔ)能電池產(chǎn)品的同質(zhì)化太嚴(yán)重了。
在這樣的情況下，大家對(duì)于新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展甚至有些迷茫情緒：鋰離子電池現(xiàn)在價(jià)格基本上接近地板價(jià)，產(chǎn)業(yè)鏈上游和中游企業(yè)利潤(rùn)壓縮至極致甚至虧本但電化學(xué)性能、回收性能和安全性能的改進(jìn)又似乎快接近天花板，通過(guò)提升儲(chǔ)能集裝箱單位體積能量密度雖然可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，但系統(tǒng)安全性卻沒(méi)有根本的改善，怎么辦？
所以現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的困惑在于性能上面幾乎可以看見(jiàn)天花板了，價(jià)格的下面地板也看得見(jiàn)了，而我們也就在這樣有限的空間，如何破局？如果不破局，產(chǎn)業(yè)很難大規(guī)模發(fā)展。這是今天技術(shù)方面的困境，我們需要去破局，破安全、經(jīng)濟(jì)和綠色的局，但今天的主題，我只講安全如何破局。
從產(chǎn)業(yè)的量來(lái)說(shuō)，今天的新型儲(chǔ)能，以鋰電儲(chǔ)能為代表的新型儲(chǔ)能只是剛剛開(kāi)始。2030年，全球?qū)⒂?200GW電池儲(chǔ)能的需求量，今天全球總共才165.2GW，也就是5年之后就是這么大的量，但是安全問(wèn)題如果不解決，你要做這么大規(guī)模的推廣是很有問(wèn)題的。而且，今天大家關(guān)心鋰電儲(chǔ)能的安全問(wèn)題，已經(jīng)不再僅僅是關(guān)注儲(chǔ)能電站應(yīng)用的安全問(wèn)題，因?yàn)檎麄€(gè)鋰電儲(chǔ)能的產(chǎn)業(yè)鏈從生產(chǎn)、運(yùn)輸、應(yīng)用、回收都出現(xiàn)了安全問(wèn)題,是全產(chǎn)業(yè)鏈的安全問(wèn)題。那么，全產(chǎn)業(yè)鏈如何做到本征安全，這是今天報(bào)告的主題。
關(guān)于本征安全，核心在于：一般我們搞電池的比較關(guān)注的是鋰電熱失控后溫度，溫度急劇上升肯定不安全，但實(shí)際上比溫度急劇上升更可怕的是鋰電池一旦熱失控，會(huì)突然之間釋放大量的易燃?xì)怏w，這對(duì)于消防救援工作來(lái)說(shuō)非常困難。因?yàn)檫@樣的易燃?xì)怏w在密閉的空間中很容易發(fā)生閃爆，這是非?？植赖摹１本?.16”儲(chǔ)能電站事故就是一個(gè)閃爆的事故，大家都知道，當(dāng)場(chǎng)有兩名消防員犧牲，有一名員工不見(jiàn)了，什么叫不見(jiàn)了？這就叫閃爆。
避免熱失控不僅僅是溫度方面的控制，其實(shí)這個(gè)沒(méi)有那么可怕，甚至如果僅僅是燒起來(lái)，也可能沒(méi)有那么可怕，怕的是忽然之間閃爆，這個(gè)威力太巨大了。今天的鋰電儲(chǔ)能基本上做到模組級(jí)別的安全控制，不管是用火探管或其他什么樣的方式，這樣的控制往往是在電池的熱失控之后，通過(guò)外部消防的方式進(jìn)行處理，整個(gè)控制過(guò)程的時(shí)間和空間都非常有限。我不知道在座有沒(méi)有消防公司，有的話你們心里都清楚，今天鋰電儲(chǔ)能電站的消防作用到底有多大。第二，熱失控電池的外面看著火被撲滅了，但里面還在翻江倒海，劇烈反應(yīng)，特別是如果我們用七氟丙烷、全氟己酮這些消防劑的時(shí)候，量是有限的，看著溫度降下來(lái)了，沒(méi)有明火了，但里面還在反應(yīng)。特別是在未來(lái)鋰電儲(chǔ)能容量越來(lái)越大的情況下，抑制效果更是有限，這是目前行業(yè)面臨的困境。
所以大家可以理解，為什么國(guó)家工信部去年11月份提出要發(fā)展本征安全技術(shù)。同月，國(guó)家消防救援局也說(shuō)，第一，鋰電池的熱失控不可避免；第二，滅火救援的難題還沒(méi)有有效解決。什么意思？它的意思就是說(shuō)鋰電的熱失控不可避免，釋放大量的易燃?xì)怏w，這個(gè)事情要讓消防救援來(lái)處理的話，很麻煩。第三，強(qiáng)化本質(zhì)安全。
因此，到底什么是本質(zhì)安全或者本征安全，也許鋰離子電池和鉛酸電池的本質(zhì)安全或本征安全的概念有所區(qū)別。那么，鋰離子電池的本征安全是什么？就是在正常工作和一定濫用條件下，有措施使電池不發(fā)生熱失控，從而切斷燃燒爆炸的誘因。為什么不能讓它熱失控，不僅僅是因?yàn)闇囟鹊募眲∩仙?，而是因?yàn)橐坏崾Э匾院?，電池防爆膜打開(kāi)，大量的易燃?xì)怏w會(huì)釋放到儲(chǔ)能組柜系統(tǒng)里，這很要命。
本征安全和非本征安全，一個(gè)是在熱失控之前處理，不要讓它熱失控，另外一個(gè)是在熱失控之后來(lái)處理。為什么要提本征安全的要求？有兩個(gè)原因：第一個(gè)原因，大量易燃?xì)怏w釋放后的閃爆危害特別值得我們高度重視，這是消防救援局觀察的角度，我們很容易忽視。第二個(gè)原因，概率的事情，哪怕今年剛剛實(shí)施的鋰電儲(chǔ)能安全強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，也只是要求電池不要燃燒和爆炸，標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有說(shuō)不允許電池?zé)崾Э?，但?chǔ)能電站特別是百兆瓦時(shí)以上的大型儲(chǔ)能電站，由幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)顆電芯組成，單顆電芯事故概率雖然很低但架不住系統(tǒng)包含電芯數(shù)量多，因此系統(tǒng)的事故概率特別是某單體電芯熱失控釋放大量易燃?xì)怏w后系統(tǒng)的燃燒事故概率就不容忽視了，有可能達(dá)到10%，這個(gè)概率還是蠻大的。所以我們?yōu)槭裁凑f(shuō)今天的安全標(biāo)準(zhǔn)還不夠，要在今天的基礎(chǔ)上發(fā)展本征安全標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)。
目前電化學(xué)儲(chǔ)能本征安全技術(shù)大致有三個(gè)路徑：第一個(gè)，水系電解液電池，包括全釩液流電池、鉛酸電池；第二，全固態(tài)鋰離子電池，但不是以金屬鋰為負(fù)極的固態(tài)鋰電池。特別是20Ah以上的大容量固態(tài)鋰電池，至少?gòu)哪壳扒闆r看，幾乎是被否定的，安全性極差，過(guò)不了關(guān)，但尚在實(shí)驗(yàn)室階段的全固態(tài)鋰離子電池，被認(rèn)為是可以達(dá)到本征安全的要求。第三條技術(shù)路線，半開(kāi)放儲(chǔ)能鋰離子電池的安全劑注入電池內(nèi)部技術(shù)。目前是以上三種路線。
（圖示）這是關(guān)于全固態(tài)鋰電池，就是金屬鋰做負(fù)極的固態(tài)電池，國(guó)內(nèi)和國(guó)際研究表明，高于20Ah的金屬鋰做負(fù)極的全固態(tài)電池，安全性太可怕了，業(yè)界已經(jīng)幾乎判定大容量金屬鋰負(fù)極的全固態(tài)鋰電池是不可能得到規(guī)模推廣的。當(dāng)然，不敢說(shuō)是永遠(yuǎn)不可能。請(qǐng)注意，全固態(tài)鋰電池和全固態(tài)鋰離子電池是兩個(gè)概念，全固態(tài)鋰離子電池認(rèn)為是有可能的，可以做到本征安全。
鉛酸電池、液流電池的電解液是水系的，是本征安全的，那么是絕對(duì)安全的么？也不是的。在極端條件下，鉛酸電池也會(huì)發(fā)生爆炸，包括液流電池反應(yīng)器也曾發(fā)生過(guò)爆炸，為什么？水系電池不怕高溫影響，但怕過(guò)充影響。若發(fā)生過(guò)充，電壓超過(guò)水的分解電壓，水會(huì)分解為大量的氫氣和氧氣，氣體一多及內(nèi)部混合就發(fā)生爆炸了。所以水系電池不怕你從外界燒，但特別怕過(guò)充。
因此，第一個(gè)概念，本征安全不等同于絕對(duì)安全，只要是含能量的載體，不可能做到絕對(duì)安全的。包括手機(jī)電池，之前也偶爾有事故報(bào)道，邊充電邊玩手機(jī)發(fā)生了爆炸。但我們?nèi)匀徽J(rèn)為手機(jī)電池是相對(duì)安全的，雖然不是絕對(duì)安全。另外，手機(jī)電池容量較小，且是單顆使用，熱失控后釋放氣體量有限，因此并不要求手機(jī)電池也要達(dá)到本征安全的標(biāo)準(zhǔn)。
第二個(gè)概念，本征安全不等同于本體安全。本體安全是相對(duì)于系統(tǒng)安全的一個(gè)概念，本體是電池本體，它的安全性怎么樣，沒(méi)有一個(gè)定量的標(biāo)準(zhǔn)，甚至沒(méi)有定性的標(biāo)準(zhǔn)，只不過(guò)是和系統(tǒng)安全做一個(gè)空間方面的區(qū)別。這個(gè)也容易混淆，一說(shuō)本征安全就說(shuō)是不是本體安全，不是的，這是不同的兩個(gè)概念。
第三個(gè)概念，本征安全不等同于主動(dòng)安全，但它們有關(guān)聯(lián)。主動(dòng)安全的定義很明確，是強(qiáng)調(diào)事故發(fā)生前的主動(dòng)監(jiān)測(cè)、防范和控制措施，但是它沒(méi)有告訴你這個(gè)事故是短路、熱失控還是燃燒，以及到底這個(gè)防范和控制的措施的結(jié)果是什么，沒(méi)有。它只告訴你這是哪些屬于主動(dòng)安全的措施，哪些是屬于被動(dòng)安全的措施，但沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)告訴你必須要什么樣。對(duì)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)，非常明確，本征安全必須要有措施，不管你用什么措施，材料的措施也好，機(jī)械的措施也好，結(jié)構(gòu)的措施也好，或者其他的措施，總之不能讓它發(fā)生熱失控。
我們是怎么來(lái)做？我們開(kāi)發(fā)了半開(kāi)放儲(chǔ)能鋰離子電池，半開(kāi)放的意思就是這個(gè)電池外觀看得出來(lái)，有管路和外部安全系統(tǒng)連接，但又不是完全開(kāi)放的，不是對(duì)大氣開(kāi)放。第二，不是簡(jiǎn)單地在鋰電池上插兩個(gè)管子就是半開(kāi)放，它還涉及到多孔電極，以及微觀的流道設(shè)計(jì)和新材料設(shè)計(jì)，怎么讓安全劑通過(guò)，以及怎么控制電池短路后的電流不能過(guò)大。
我們?cè)诔啥家?jiàn)了了一個(gè)設(shè)計(jì)產(chǎn)能100MWh的電池示范產(chǎn)線，去年7月份第一批產(chǎn)品出來(lái)最苛刻的內(nèi)部短路和外部短路條件下的本征安全測(cè)試已經(jīng)通過(guò)了，這是最難做的，已經(jīng)通過(guò)了，其他的都好做。
我們今年開(kāi)始會(huì)做一些示范項(xiàng)目，怎么做？傳統(tǒng)的鋰離子電池在安全閥沖破后進(jìn)行消防處理。我們?cè)趺醋觯坷冒腴_(kāi)放結(jié)構(gòu)采集電池內(nèi)部的氣壓溫度等信號(hào)，用這些信號(hào)在（短路）早期就判斷出電池異常，在熱失控之前安全劑自動(dòng)注入電池內(nèi)部，有效抑制熱失控的發(fā)生。
原理，它是半開(kāi)放的，先自動(dòng)探測(cè)到氣壓的絕對(duì)值以及氣壓的變化率，里面有大量的數(shù)據(jù)，到底應(yīng)該設(shè)置什么樣的閾值，可以提前很長(zhǎng)時(shí)間有這個(gè)預(yù)警，而且可以自動(dòng)注入。你一定要提前，當(dāng)發(fā)生熱失控之后再去注入就來(lái)不及了。
這是第三方的測(cè)試報(bào)告，是外部強(qiáng)制短路的，電池表面最高溫度不超過(guò)80度，這個(gè)電池是2000Ah，第一個(gè)型號(hào)是最大容量的，后面會(huì)做不同容量的電池，先把最大容量的做了，其他的就好做。
這是內(nèi)部短路的測(cè)試報(bào)告，是業(yè)界最苛刻的，鋰電池就怕內(nèi)部短路。用針刺的方式來(lái)誘發(fā)半開(kāi)放電池內(nèi)部短路后，安全劑自動(dòng)注入，電池最高溫度不超過(guò)110度，也不會(huì)有大量易燃?xì)怏w釋放的現(xiàn)象發(fā)生。
現(xiàn)在我們?cè)谧龅谝粋€(gè)半開(kāi)放電池的本征安全標(biāo)準(zhǔn)，最近會(huì)公開(kāi)，先從團(tuán)標(biāo)開(kāi)始做。
關(guān)于安全，剛才說(shuō)的是應(yīng)用方面的安全，怎么做，是安全劑自動(dòng)注入，但全產(chǎn)業(yè)鏈的安全如何做到？例如，回收方面的安全，國(guó)內(nèi)國(guó)外鋰離子電池回收過(guò)程都有燃燒爆炸事故的報(bào)道。而且廢舊電池的安全性比新電池的還要差，怎么辦？半開(kāi)放電池在退役之前，所有的電池會(huì)注入安全劑，把電解液排出來(lái)，這樣它就已經(jīng)不再是電池了，確保回收（及運(yùn)輸）過(guò)程的本征安全。
生產(chǎn)方面的安全怎么解決？基于半開(kāi)放結(jié)構(gòu)，我們開(kāi)發(fā)了 “固液分離”的產(chǎn)業(yè)新模式。半開(kāi)放電池的電芯部件制造后，不會(huì)注液，可以安全存儲(chǔ)和運(yùn)輸。不像今天的鋰電池，化成了之后放在庫(kù)房里，一是擔(dān)心安全問(wèn)題，二是擔(dān)心掉電問(wèn)題。
所以鋰電池一旦制造出來(lái)后，恨不得馬上做集成，然后應(yīng)用，別放在庫(kù)房，否則太麻煩了。半開(kāi)放電池的未注液電芯部件沒(méi)事，你就放一年、兩年、三年都沒(méi)有問(wèn)題，因?yàn)樗鼪](méi)有電解液。電池電解液的注液、化成、集成是直接在項(xiàng)目應(yīng)用基地來(lái)完成。因?yàn)樗前腴_(kāi)放結(jié)構(gòu)，直接管路對(duì)管路就行了，不需要搞大面積的干燥房，所以這是半開(kāi)放電池一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，相當(dāng)于是一個(gè)顛覆性產(chǎn)業(yè)鏈新模式，所以我們說(shuō)為什么一定是全產(chǎn)業(yè)鏈的本征安全。
特別是在國(guó)際方面，運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候不要像今天的鋰電池，要么以電池的形式運(yùn)輸，要么以儲(chǔ)能電池系統(tǒng)集裝箱的形式運(yùn)輸，這些都發(fā)生過(guò)輪船、碼頭、道路的著火事件，這個(gè)模式必須改掉。
怎么改？我們可以通過(guò)發(fā)展半開(kāi)放電池的產(chǎn)業(yè)模式，未注液電芯部件制造后，再千里迢迢地安全運(yùn)輸?shù)絻?chǔ)能應(yīng)用基地，特別是運(yùn)輸?shù)絿?guó)外，可以很好地解決關(guān)于原產(chǎn)地證明問(wèn)題，也符合中國(guó)商務(wù)部關(guān)于禁止部分先進(jìn)技術(shù)出口的規(guī)定。
以上是我今天的報(bào)告，半開(kāi)放儲(chǔ)能鋰離子電池如何實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的本征安全，謝謝各位！
