孚能王瑀:电池安全问题归根结底最后都是电芯的热失控
本次会议由一个高峰论坛和三个主题峰会组成,在关于“促进动力电池安全的前言技术与保障体系”主题峰会上,主要研讨了动力电池安全体系评估;提高电池系统整体设计的合理性;同意规划整个电池系统的安全防护;电池产品认证和检测;大数据推动电池智能化管理,提升安全保障;新体系动力电池研发现状及安全挑战;产业政策对电池安全的保障。
孚能科技(赣州)有限公司董事长王瑀发表主题演讲,内容实录如下:
我现在知道为什么把我安排在叶教授的后面,我1996年到2000年是专门负责锂电池开发的,2000年去了美国,2002年开始创业。今天受组委会的要求,想让我讲一讲动力电池安全部分的问题,这部分我过去做了很多的工作。从1996年的毛里开始,做了大量的实验、分析、结构等等。后来又参加美国政府的项目,做了大量的机理分析、模型建立,但是很多都失败掉了,今天我挑重点讲一讲,主要想过来做广告。
今天我讲分四个部分:第一,电动汽车的安全挑战。第二,提升电动汽车安全性的措施。第三,孚能科技电动汽车电池产品安全性设计。第四,孚能科技公司近况介绍。
新能源汽车中国的发展状况大家都了解,从2015年开始国家投入了巨资,包括政策倾斜,使新能源汽车保有量,包括生产量、销售量增长很快,去年达到了77万辆,今年预期达到100万辆,国家战略方面,从汽车大国走向汽车强国,电动车作为一个走向强国的首选道路。政策倾斜,包括补贴、专用牌照、路权、优先权,成果,今年我们看到已经成为了产销量世界第一。对于我们30年来在美国做新能源汽车来说,唯一的出发点就是解决美国的相当于石油的自给自足及另外是环境,最早是从EV开始,铅酸电池不行,镍氢不行,后来转到混动,最后觉得混动太贵,放弃了,后来没想到日本把它产业化了,后来转成插电,后来变成纯电动,发展到今天,对中国来说这个更加重要。因为中国石油目前的供给已经处于危险,超过60%进口。一旦石油受到控制会比芯片受到控制更加危险。
我现在举几个例子,过去的安全事故,没有意思去攻击哪些公司,随便找了几个案例,包括2018年3月23号特斯拉在美国加州的事件,包括前两天好莱坞演员的丈夫放在那里起火,包括中国的碰撞第一次的起火,再加上在北京充电的起火。总之新能源汽车目前处于一种风口浪尖上,任何一个事故都很敏感,就像王芳说的一样,任何一个把能量聚集到一个体积内的这样的一个物种想绝对安全是绝对做不到的,关键是我们要打造什么样的安全,能够符合我们的要求,像汽车一样,每天坐在汽油上,大家并不担心。
现在我们采取了很多的安全措施,我随便举几个例子,大家都很熟悉的,包括可容断保险丝、继电器、箱体、电芯、电池模组、液冷系统、热管理等等。这个我就不详细介绍了。目前发生的原因我主要说一下,一个是交通事故造成撞车,把人撞坏了,里面短路了,要么就是引起了哪里发热,热失控,电池跑掉了,要么是系统不良,出现很多,包括丰田,也包括BAE等等,在国际上很多车,有人使用十年之后开始发生事,主要是海水的侵蚀,也包括丰田的混合对立车的着毁,都是因为空气的进入造成了连接件,连接件阻控增加,然后发热失控。电池加热系统失控之后引起的热失控,再就是电池系统进水,所以短路,然后造成的。再就是电池内部的短路,出现了事故,再就是过充。但是归根结底,所有的原因最后达成的效果都是电芯的热失控,归根结底就在这儿。如果电芯热失控,放一个铁块在里面啥事没有,就这么简单的一个道理。
究竟什么样的标准是标准?我记得在美国政府的新能源汽车开发项目的时候,整车厂给我们提出的标准就是不起火、不爆炸、没有任何反应,这就是我们对电池的要求。当时想了想也无语,没法答复他,后来提出要求是不起火也不爆炸,后来又改变了,说这个也不做不到,说不爆炸,延迟起火,给出逃逸的时间,多长时间?现在又提出来了只冒烟、不起火、不爆炸,只是电池损坏,车扔就扔了,最后一点大家好像能够达成共识。
这是电池热失控所发生的所有的事情,我在九几年做的研究,热失控,哪个地方造成失控?就是两件事,一件事从负极开始,另一件事从正极开始,就这么两个地儿,负极能反应的就是SEI分解,一个是锂的反应,正极就是氧化,然后释放性,这个东西怎么引起的?很简单,热,先把SEI给破坏掉,温度比较低,大约一百度左右。再高就完蛋了,就是隔膜阻短路以后,热短路,温度上去了,开始产生一大堆的气体,造成反应。电池短路可以造成,加热可以造成,还有一种可能性就是电池做得不好,生成锂枝晶,锂枝晶就给你捣乱了。还有一种可能性相当于过充,充电电流太大,再就是低温,做得不适当,低温一上去,结果超越了析锂的电压,总之就这么几个原因,大家看到这个图基本就知道发生什么事,产生什么气体,都是分析得清清楚楚。
孚能科技在过去将近二十年做了好多的工作,承担了美国政府的项目,天天都研究这些东西,花了不少钱。实际上从1997年把软包电池作为车用动力电池的载体很重要的原因就是安全,现在看来所有的手机、笔记本都是软包,非常高兴能成为第一个做的,而且做液体软报电池当时,现在变成了一个国际的主流。我们选择软包做汽车动力电池也是一个原因,就是安全,为什么?我们没有能力、没有本事,把所有的正极材料都搞得非常安全。在我能够想到开发出汽车电池的过程当中,我还看不到我能开发出一个非常高能量密度的。能做的找好的载体,不要出事,出事的时候顶多放放气,最多起起火,我把它延迟掉就可以了,这是做汽车电池的第一关,非常重要,是一票否决的。另外一点,正极才俩是主要要反映、要释放锂,在一定温度之下,怎么把它稳定住,多数的情况下都是隔膜纸短路造成的失控,最早我们提出隔膜纸,提出了相当于PE、PP,当时还很难做,最后终于说服了他们,把隔膜纸做出来,现在变成了流行的隔膜纸,因此成为世界上最大的隔膜纸公司。还有正负极材料和负极析锂,要保证它不要在外面,同时SEI要稳定,不要分解。最后一点是电压越来越高,过充了,就是高电压稳定电解液,我提了这几项。设计的目标就是不起火,也不爆炸,冒烟没问题。
我举了一个例子,工作很多,对于正极修饰能够带来什么样的影响,就是稳定性的提高,这个大家都知道了,这都是常识性的,我就不详细介绍了,包括参杂、包覆,做了这么多年,都很简单,当时做的时候都很难。另外一点就是隔膜纸,热收缩是很大的问题,但是我们也想让它有收缩,因为电池来来回回,没有锂来回跑,这个电池非常安全,关键是锂来回跑,造成大量的放电,造成很多未知的、已知的发生的事故,重点加一个PE膜,让它适当下降,阻止这个事情。现在看来,阻止不住,就想能不能增加它的热稳定性,就是最早提出来,九几年提出来我们做陶瓷涂覆。这几个温度下没有涂覆的隔膜纸已经下降得不像样了,有涂覆的很稳定。另外高温隔膜纸我们做了好久,如何发现一个更高的隔膜纸用在汽车上,这个工作做了十几年,一直到现在还找不出一个好的,包括跟杜邦合作的聚酰亚胺,也包括PET这种隔膜,但是现在离产业化还有好多距离,非常遗憾。另外我们也做了具有氧化还原功能的高温的隔膜纸,意味着氧化吧,你不要氧化我,电压永远上不去,小试很好,大试做不出来。总之目前能用的就是隔膜纸,也基本解决了我们现在需要解决的问题,这一项还是比较满意的。
另外就是电解液,电解液我刚才说过了,整个的过充,一起爆过充电解液反气,这都是电解液搞的鬼,过去我们提出了BP,后来很多包括氧化还原剂等等,还有PS等等,这都是1996年、1997年我们申请的专利,改进也很好,也包括正极SEI的稳定,保证电池很好。SEI分经从负极开始到正极,搞了很多添加剂,效果也不用说,综合起来帮我们解决了不少问题。再就是高温电解液,高温电解液也是一个主要的,我们一过充就分解,另外能量密度越做越高,我们也承担了美国政府的攻关项目,现在结果也不错,标准电解液基本上差不多也就是50次循环,经过三年多的努力,现在已经到了差不多四五百个循环,还不错。5V循环,进展还是不错的。
看一下结果,刚才王芳专家也说了,要做这种热失控的考虑,我们的方法很简单,在两个模组之间加两个加热板,这个实验基本上这个是5P5S的模块,在两个之间加两个隔热板,把温度全部调到300度,大家看得到,这就是时间轴,这边是300度,其他所有的模组并没有看到温度的升高。而且是在电池设计方面非常重要,因为电池的失控和短路是防不住的,有的是因为事故造成的,有的因为做电池缺陷造成的,实际上都是PPD级或者PPM级的,但是总会发生,所以我们也做了实验,大家看到零分钟、37分钟、43分钟、两小时,在系统当中表现怎么样呢?系统上大家看得不太清楚,作为一个电池包,下面是一个水箱,一旦有问题扔到水箱里面,大家看到我们把第一组让它失控,可以看到冒烟。一个小时之后还是在冒烟,这个至少符合我们孚能的要求,是安全的。
我稍微说几句,未来的发展,目前锂电技术我们还是要继续如何稳定正负极材料,大量的工作要做,一定做得成。我1996年做锂电池的时候跟现在做的困难一模一样,价钱也是我们公关。我们希望我们的同仁要有信心,要有决心,未来一定会做出来,刚才还问我价钱的问题,说未来能不能把电池系统搞到3毛钱,我说三毛钱可能都不止,为什么这样说,1996年做的时候是14块钱一瓦时,现在你们都知道价钱多少,才200亿美金的市场,这是一个万亿美金的市场,我觉得没有问题。另外隔膜纸非常重要,我希望大家做更多的工作开发出抗高温、抗氧化型、可阻断型的隔膜纸,阻断能解决很多问题。再就是高稳定性、高电压、阻燃型的电解液系统。我们做了二十多年也没做成功,希望我们老了,你们年轻人再接再厉把它做出来。最后一个就是过渡到固体电解质,这些所有的问题都是跟有机氧化物有关系,如果没了它啥事没有,这个就摆脱俞总抓紧时间做出来,我来用。
孚能科技的情况,孚能科技2002年在美国加州成立,原有的团队一直是承担美国政府新能源汽车开发的,后来因为金融危机出现问题,我们单独出来成立,2009年在赣州成立,注册资本8.3亿,大规模产业化动力电池。在美国承担美国政府40多项纯电动汽车的开发项目,各种各样的,很多,刚才王芳讲的所有想法,我估计在美国都做过了,但是好像我们做的百分之八九十都失败掉了,最后也没得出一个真正的结论,尤其是模型怎么算我们也没算出来,真是花了好多钱。当时觉得伯克利很牛,但是最后的结果也是给不了我们什么东西。
300Wh/Kg的电池项目是我们其中一个项目,我们2009年SOP,开发时间是2013-2015年,当时我们是项目总承担方,合作方包括伯克利、杜邦,也包括NANOSYS,也包括宝马公司,结果还不错,现在为我们2019年产业化打下了基础。现在正在承担的,就是400Wh/Kg的美国政府的项目,主承担方是孚能,项目技术管理方是通用、福特、克莱斯勒和美国能源部,项目合作伙伴包括德国巴斯夫、杜邦和3M等等。
这是我们的产品路线图,今年大部分产品产业化都在这个范围之内,210到260,2019到2020年是270到300,2021年到2022年是310到330,大家的想法都差不多,还是对硅这个东西很不放心,
孚能科技目前基本专注只做纯电动乘用车电池系统,2012年投产之后主要是供美国,2015年中国市场爆发,进入中国市场,开始跟北汽合作,2016年底开始供货,非常荣幸2017年我们成为了一匹黑马,整个供货量达到了前三,软包电池出货量我们达到了第一,在乘用车上我们的电池出货量是中国第二。我们的汽车主要分三类,主要是纯电动、插电混合、微混,下面这个主要是我们供的一系列车的情况,从A0级车一直到C级车,基本上包括了北汽所有的车型。除了17180(音)之外,其他所有车型孚能都是独供商,还有一款车没有放上去,是两个人的改装车,很好,希望你们女孩子想买一个小型电动车的话,那是非常好的选择,非常漂亮,250公里续航里程。非常幸运的是孚能到现在已经出货超过10万辆,到目前为止,无一辆安全事故,这个是我们非常骄傲的,多少年对新能源汽车的敬畏心,让我们对这个市场相当小心。
孚能科技在今年上半年完成了C轮、C+轮融资,融资总额达到了64亿人民币。中国国新控股成为孚能科技单一第一大股东,中国国新是国务院批准成立的国有独资国家授权的投资机关,由国务院国资委代表履行出资职责,目前管理的资金超过8000亿,是国务院平台下最大的新能源投资公司,所以孚能也很有幸成为了这个相当于国家国资委反向混改的试点单位,成为了一个新央企的培育单位,构造国有占大股,但是保持民营机制,希望能给带来不同的结果。孚能的未来三年要投入大概120亿,用于国内的扩产,布局华南、华东、华北三打击敌,产能要达到35GWh,这个布局很快就会启动。
另外一点,大家很关心产业链,孚能也一样,孚能之前也不关注,现在非常关注。所以孚能要保证孚能供应,保证孚能的质量,保证未来孚能的战略能够实现,现在中国国新跟孚能公司成立了100亿孚能产业链整合基金,所以愿意跟孚能合作的上游的供应商非常欢迎你们跟我们进行合作,我们有100亿资金来做后盾,来进行整合,希望我们大家成为命运共同体,把中国的新能源汽车做好。
最后一页是孚能所有参加过很多次世界上的大将赛夺得冠军,去年开始参与电动摩托大奖赛,希望第五届能够囊括冠军,是中国的电池在世界上第一次成为冠军的动力,谢谢大家。
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