欧阳院士：大容量磷酸铁锂电池不如三元电池安全？

5月16日，CIBF2023在深圳国际会展中心（新馆）隆重开幕。中国科学院院士欧阳明高做主旨发言。他表示：

一、一般认为磷酸铁锂电池是比较安全的，本质上对于小的磷酸铁锂电池的确如此，但大容量的电池，内部温度可以超过800度，超过了磷酸铁锂正极分解的温度。现在的储能电池基本上都是300安时以上，还是很危险的。

二、再看磷酸铁锂的产气，它产生的氢气会慢慢增加，随着SOC的增加，氢气到50%以上，也是非常危险的。

三、磷酸铁锂电池的燃爆指数是三元电池的两倍。三元电池是自己容易热失控，自己把自己点着，磷酸铁锂电池自己点不着，但是它的气体爆炸的风险比三元电池要高，一旦在外面遇到火花它更危险。

图为中国科学院院士欧阳明高作主旨发言

以下是欧阳明高院士发言重点节录：

尊敬的各位同行，大家上午好！我今天给大家介绍一下清华新能源动力系统团队电池安全研究进展。

我们清华的团队大概分为3个板块，其中一个板块就是动力电池与电化学储能系统，另外有燃料电池、电解水制氢、氢储能、智能动力和智慧能源，分别设立了4个中心。储能、氢能、智能三位一体。

今天主要介绍动力电池的一部分内容，就是关于电池热失控与热蔓延方面的研究。

首先介绍电池安全实验室。这是清华大学校内的电池安全实验室，大概十多年前建立了这个实验室，现在总人数超过100人，包括校本部以及宜宾中心。这里有很多自制设备，我们也开发一些专用的设备，比如专门测试热失控的燃烧弹，测试热失控里面喷发的所有过程，传统没有专门的仪器，我们专门设计了这种仪器，现在有很多厂家已采用。

宜宾中心在四川，当地投资2亿元建立的电池安全实验室，现在一期已经建成，正在建第二期。宜宾基地也有多尺度的表征和计算手段，应该说是全方位的。我经常说现在科研就是一个靠“看”，一个靠“算”，有了这两个工具，就可以跨学科。不仅多尺度的都可以进行计算，也提供整个设计服务，从仿真设计到样品开发，到测试验证，最后交出整个研发的样品。我们目前组成了一个团队在做这个，包括制造工艺，全产业链的通过智能化的设计开发手段，都提供服务。清华电池安全实验室这些年来跟全球各大厂商在电池安全方面都有合作，主要的汽车厂、电池厂都有合作。

大家知道现在储能领域电池安全比电动汽车潜在隐患更严重，所以国家已经设立了储能电池安全监控平台，我也是监控平台的专家委员会主任，我们也在跟国家市场监管总局在筹建联合研发中心，因为很多安全的调查是我们在协助进行，同时在学术上，我们在电池热失控这个领域，在全球是发文量最大的一个课题组，在电池安全方面有3个人获得全球高被引科学家。

下面介绍电池安全实验室重点做的事情，主要就是从电池热失控的全过程，包括它的诱因、热失控的发生，以及热失控在整个电池包的蔓延过程，这是我们重点做的，所以我们有三项技术，从应对热失控诱因，我们主要是主动安全技术，热失控发生方面是本征安全技术，还有热失控蔓延，采用的是被动安全技术。现在我们也从电池安全逐步发展到安全电池的开发，本征安全现在主攻硫化物的全固态电池，我们认为本征安全的最终目标是全固态电池，所以现在有80人在做全固态电池。另外一个就是被动安全，现在聚焦储能电站，储能电站对被动安全要求特别高。

一般认为磷酸铁锂电池是比较安全的。本质上对于小的磷酸铁锂电池的确是这样，但是大的容量，像320安时的电池，它的内部温度可以超过800度，一般是三四百度，但是对于大安时的电池可以超过800度，这就超过了磷酸铁锂正极分解的温度，在一般情况下正极磷酸铁锂对小安时是不分解的，所以热失控不剧烈，但是大安时是可以的，而且它产生大量的可燃的电解液的蒸汽，这跟高镍三元是不一样的。

对于小尺寸的电池，的确它的温度是不高的，因为中间有一个链式反应，它有一个隔断，正极是不在这个范围的，我们的正极材料基本上到500度以上才可能出现分解。但是对一个大安时电池就可能突破，跨越这个隔板，引起正极材料的分解，这就有可能到达700—900度，这是很重要的，我们现在的储能电池基本上都是300安时以上，还是很危险的。再看看磷酸铁锂的产气，它产生的氢气慢慢增加，随着SOC的增加，氢气到50%以上，这也是非常危险的。

另外我们比较一下两种电池，磷酸铁锂电池和三元电池的燃爆风险，磷酸铁锂电池的燃爆指数是三元电池的两倍，这跟大家的认知不太一样，三元电池是自己容易热失控，自己把自己点着，磷酸铁锂电池自己点不着，但是它的气体爆炸的风险比三元电池要高，一旦在外面遇到火花它是更危险的。

大家都知道在北京大红门发生了一次很大的储能电站安全事故，这件事情是国内储能电站发生事故最严重的一起，我们在第一时间就参与了这个事故分析，通过仿真、研究，反推了整个事故发生的过程，发现首先是在南楼有漏液，主要是短路。漏液起火过热、内短路，发生热失控，大量的电解液分离的比空气重的组分，通过地下的通道蔓延到北楼，由于北楼有火花，我们认为一般是电弧拉弧引起的火花，因为这里面有大量的氢气，最后就爆炸了，引爆的原因是电气火花。在此基础上，也来研究储能电池的蔓延特性，我们从中间发现，跟三元不一样，三元是喷出大量的固体颗粒，磷酸铁锂基本上都是释放气体，三元的颗粒会摩擦电池箱，它自己就会产生火花。

但是磷酸铁锂电池一般自己并不产生多少火花，它主要是出来气体，有明火的时候就会触发热蔓延，而三元是自己就热蔓延了，两者是不一样的。

所以研究这个火花很重要，我们对各种各样的火花都进行过研究，比方说电池放在水下，它也可以烧，以前我们觉得不可思议，怎么电池包放水下它还会烧，实际上这里面都是电弧拉弧导致的，在不同的介质中间拉弧不一样的。在测试的过程中发现还有颗粒物诱导击穿电弧，一旦有烟气在这里面，临界击穿电压会大幅下降，就不是我们常规的击穿电压。常规击穿电压一两百伏是击不穿的，但是在烟气环境下，它的击穿电压会大幅下降，这样就会导致火花。

所以从设计角度，我们就做了一个Map图，就是安全的电压范围是什么，临界的击穿电压随着我们的间隙的大小、颗粒物的大小是变化的。这是击穿电压的等高线，可以通过这个方式来设计出安全的防电弧的电器系统，这一块我们也是跟厂家合作的。下一步是对整个热蔓延的过程进行仿真和测试，比方说这是一个储能电池箱正箱的热蔓延过程，我们装了大量的传感器，找到它蔓延的规律，比如说刚开始顺序蔓延，然后交替蔓延，然后再同步蔓延、倒序蔓延，它有它的规律，在此基础上可以进行仿真。这是对一个集装箱电池包的仿真，通过这个仿真来设计热管理系统。

另外就是车用电池包，也装上传感器来做研究，看它是怎么蔓延的，整个过程我们都把它测出来，测出来之后就可以仿真，比如说电池包的仿真，这个地方很薄弱，电池的温度会把电池箱的盖子烧穿，这一块我们就要加强。左边是仿真的，右边是实测的，跟我们仿真的位置是一样的，这样就可以在薄弱的地方进行加强。当然我们还要想办法隔热、散热等等，就开发了防火墙技术，我们有第一代、第二代、第三代。一般简单的隔热对于低比能量电池是可以的，但是对高比能量电池光有简单的隔热不行，所以开发了新的纳米纤维基底的耐高温的隔热材料，它可以承受1300度的高温，而且很薄。同时，光有隔热不行，我们还有一个相变的材料，既隔热又散热，它可以吸热。在此基础上，我们做了实验，比方说传统的隔热，这是我们新加的隔热+散热，完全不会爆燃，对811以上的电池绝对是安全的。