冯旭宁：发明储能电池系统热失效防护技术，填补电池应用安全技术空白，未来计划建立电池热安全分析与设计理论 | 创新35人专栏

1 月 22 日，由 DeepTech 携手络绎科学举办的“MEET35：创新者说”论坛暨“35 岁以下科技创新 35 人”2021 年中国线上发布仪式成功举行。来自科学界和产业界的人士在云端共同见证了新一届中国青年科技领军人物登场。

络绎科学邀请到了“创新 35 人” 2021 中国入选者清华大学助理教授冯旭宁，做客直播间，从储能电池安全应用的创新技术研究方面与我们进行了分享。 

作为“发明家”入选的冯旭宁的主要研究集中在储能电池的安全应用以及储能电池系统集成与优化管理上。其因在大尺寸电池的失控量热技术的关键突破成功入选“创新 35 人”。

获奖时年龄：33 岁

获奖时职位：清华大学助理教授

获奖理由：他发明了储能电池系统热失效防护技术，填补了电池应用领域的安全技术空白。

全球能源低碳化、零碳化转型正推动新能源与可再生能源的加速规模应用。可再生能源普遍具有波动性、间歇性等问题，需要储能技术进行消纳。以锂离子电池为代表的电化学储能技术，以其灵活、快速、长寿命的优点，成为储能领域装机容量增长最快的技术之一，并快速取代了传统的铅酸电池和镍氢电池。

然而，频发的储能电站火灾，以及每年千余起电动汽车起火事故，引发了社会对储能电池系统安全问题的普遍关注。储能电池的安全问题成为了储能技术大规模推广应用过程中，亟需解决的瓶颈技术问题。

冯旭宁在近十年的研究生涯中，发明了储能电池系统热失效防护技术，填补了电池应用领域的安全技术空白，在工程技术领域形成了重要的国际学术影响力，产生了显著的经济和社会效益，使得材料科学研究中产出的更新体系、更低成本、更高比能量的锂离子电池在储能系统中能够安全可靠地运行，为新能源与可再生能源的大规模应用提供了安全技术保障，从“电池热安全”这一独特的角度为实现“碳中和”目标做出了贡献。

电池应用领域的全新安全技术——防患于未然

“面对电池系统的实际应用问题，我先开展了广泛的文献调研，通读了2012年前几乎所有的电池安全论文。这让我清楚地认识到，电池安全的核心问题是‘热失控’。我也在中国汽车技术研究中心开展过电池安全标准测试实习，结合多起事故现象，从实践中认识到电池安全失效过程包含‘热诱因’、‘热失控’、‘热蔓延’三个阶段。电池系统的安全保障技术，应该从这三个阶段分别入手，设定多层级的安全防护方法。层层阻断并寻求成本最优。”冯旭宁介绍了他对电池安全的研究，基于这些研究，他形成了三个主要的侧重研究方向，包括储能电池的失控量热测试与灾害评价技术；高精度电池系统热失控模型仿真与蔓延抑制技术；基于反应机理的电池热失控时序解析与预警技术。冯旭宁的研究将电池热失效问题由不可测变为准确可测，由可测变为定量可预测，由定量可预测变为可正向设计与提前预警。

解决电池安全问题的第一步是准确测量

冯旭宁介绍称，“首先事故灾害与电池失效释放的能量紧密相关，准确的失控能量测试能够为灾害防护技术提供基础数据的支持；其次人类科学发展史上，新规律新理论的发现都需要以准确的实验观测结果为前提。热失控问题作为电池安全的核心问题，其得到解决的前提就是其特征的准确测量。”

大尺寸样品热分布不均匀，如何对大尺寸电池的热失控特性进行准确测量，是解决的电池安全问题的第一步，也是当时电池安全问题研究进展缓慢的关键难点。

冯旭宁对加速量热仪的内部温场分布进行了分析，开发了“等热容物替代+传感器机械夹持+内置温度传感器”的量热仪校准与测试方法，实现了大尺寸电池绝热热失控特性的准确测量。

频繁开展全尺寸失效实验几乎是不可能的

“电池热失控蔓延建模工作的开展十分重要，其原因是：第一，电池系统失效测试的成本极高，频繁开展全尺寸失效实验是几乎不可能的，需要模型仿真技术来支持安全防护方案的选型；第二，百年的汽车工业发展史中，在新产品开发过程中极致追求效率。先通过数字化的模型仿真进行方案设计，然后再生产实物，已经形成惯例。但当时在电池安全方面尚无好的模型仿真手段。”冯旭宁认为，建立热失控仿真模型是一项十分有意义的工作，抽象电池热失控机理并建立高精度的热失控仿真模型成为他的奋斗目标。

想要成功建模就必须熟知高温驱动下的“热-电-化学”耦合失效机理。冯旭宁通过设计量热实验，解耦了失效热溢和固体传热之间的定量关系，在经典的电池热管理模型中，引入了反应物归一化浓度场的设置方法，实现了“反应物”“反应热”“热蔓延”三个场的分别解算与合并输出。这符合热失控反应释热机理，也简化了模型仿真的计算量，在国际上率先实现了电池模组乃至系统热失控蔓延的高精度模拟计算。

事故预警越早，越有更多的机会保护车辆乘员的安全

研究电池安全问题的出发点与落脚点都是为了保护人的安全，让电池发生热失控时就发出警报，在安全事故不可避免的情况下，降低事故带来的影响。

对此，冯旭宁进行了具体阐释，“内短路是诱发电池热失控的共性环节，结合内短路机理，提炼出电池热失控前的细微失效特征，就可能尽早地对故障进行预警。事故预警越早，越有更多的机会保护车辆乘员的安全，准确的热失控预警功能对消费者和企业都至关重要。”

对此，冯旭宁设计了内短路导致热失控的等效替代测试方法，建立了内短路失效的数字孪生模型，用于生成失效数据；解决了电池离散采样信号的求微分问题，通过基于模型的方法提取电池失效早期异常产热和自放电的微分信号特征；将提取的失效特征转化为电池状态量，实现了对电池失效故障的稳定、准确预报。

有相对安全的电池，但是没有绝对安全的电池系统

对于电池安全，冯旭宁表示，有相对安全的电池，但是没有绝对安全的电池系统，事故概率总是大于零的。当事故发生后，所有人都会关心事故起因，只有发现致灾原因才能从源头上解决问题。事故调查的目标就是为了在未来能够防止类似的事故再次发生。

对于事故调查的必要工作，冯旭宁总结了三点：一是收集现场数据，形成时间链。需要及时访问事故发生时的在场人员、勘察事故现场和调看事故发生时的监控，而查看大型储能电站的设计图纸也必不可少。二是根据现场情况反推事故源头，确定失效诱因。从原始化学反应、电极、单体、模组、簇到最后的系统，推理从小失效起源到大能量释放的演化过程。三是事故场景模拟重现，最终确认最可能的事故原因。

对于事故致灾机理，冯旭宁分析表示，电池安全失效过程包含热诱因－热失效－热蔓延三个阶段。电池失效有三大诱因，机械诱因、电诱因和热诱因，在三种诱因的刺激下，单节电池内部或外部发生化学反应失控及温度过高引起热失效，单节电池热失效进一步向整个系统扩展形成热蔓延。

构筑保卫电池安全的高墙

为了从主动安全、本质安全和被动安全入手为未来的电池安全保驾护航，冯旭宁带领了 30 多人的团队，正在从事自毁电池、热失控前锋面理论与冷冻技术和本质安全的储能电池系统等方面的研究。

（1）自毁电池

“自毁电池”是指在电池内部植入毒化胶囊，在热失控发生前，释放毒化剂阻断热失控主反应的一种电池安全设计理念。冯旭宁带领团队以高镍三元/硅碳负极的 >350Wh/kg 的高比能量锂离子动力电池为主要研究对象，努力挑战将 >350Wh/kg 锂离子电池的热失控危害降低到 <200Wh/kg 的锂离子电池的相应水平。

近期，该方案取得了一定的突破，部分毒化剂配方已经能够将三元 811 电池的热失控最高温度降低到磷酸铁锂的水平，目前正在和部分电池生产企业开展样品测试。350Wh/kg 电池的安全性一旦突破，将有望使得纯电动汽车在与传统燃油车竞争中，在动力系统成本、续航里程两个方面获得优势，加快新能源汽车的市场推广进程。

（2）热失控前锋面理论

电池热失控温度高（可达 1000℃），速度快（可达 1000℃/s），热失控瞬间发生的反应过程超出了现有仪器的检测能力，难以进行准确表征。将时域高速热失控过程在空间域减速，从而可以获得丰富的热失控反应产物信息，已成为热化学反应机理分析的新手段。

冯旭宁近期的试验结果已可将三元锂离子电池的热失控前锋面在空间范围内冷冻下来，并在空间范围内见到了与高精度表征仪器测试相同的结果，且在结果中发现了从前未观测到的反应产物。另外在热失控前锋面的理论计算方面，冯旭宁也取得了突破，即通过理论推导出了热失控前锋面的厚度及其推进速度与电池导热系数和热失控反应速率之间的二分之一次方关系，该关系式和现有的观测结果均能够吻合，可以进一步控制热失控前锋面的推进速度，在空间范围内研究高速的化学反应过程。

据悉，该项目已获得了国家自然科学基金资助。

（3）本质安全的储能电池系统

目前，对锂离子电池为主的 MWh 级储能电池系统而言，还没有有效的灭火控制方案。按照目前国内全面整顿储能电站安全性情况来看，行业有可能因事故频发而停滞不前，甚至改变技术路线。因此，冯旭宁决定带领团队在本质安全的储能电池系统方面开展方案研究。

冯旭宁表示，“我期望达成的目标是实现储能电池系统意义上的‘失效-安全’（Fail-Safe），即本质安全的储能电池系统。这种技术使得即使在概率意义上发生部分电池的失效，也不会对整个电池系统造成很大的影响，更不会出现起火、爆炸等造成人员生命财产损失的恶性事件。”

冯旭宁和他的团队将不断地架设新体系电池和安全应用场景之间的桥梁，将高比能量电池带出应用前的死亡谷，为世界提供“本质安全”的储能电池系统。对于未来计划，他说，“我希望经过 5-10 年的持续努力，从电池热安全问题的相关研究成果中提炼出基础理论，建立以热力学、化学反应动力学、材料科学和安全科学为基础的电池热安全分析理论，并形成‘能源材料失效’的新兴学科发展契机。”