9月27日,由山西省能源局、国家电投集团主办,中国能源报和中国能源研究会支持的2025新能源产业创新合作暨第十五届新能源企业500强论坛在山西太原召开。欧盟科学院院士、中国科学技术大学教授孙金华发表主旨演讲。
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锂离子电池凭借其优越的性能,已走进了千家万户、各行各业。过去十多年来,在政产学研共同努力下,我国的锂离子电池技术与产业水平实现了弯道超车,无论在技术还是产能方面都位于世界最前列。目前,我国已成为全球最大的锂离子电池生产国。
随着锂离子电池产业的高速发展,带动了新能源汽车等一批相关产业崛起。尤其是在“双碳”目标推动下,为锂电池相关新能源产业注入了新的发展动力。2024年,我国新能源汽车销售量已突破1200万辆,到2024年底总保有量超2800万辆。2025年,新能源汽车的产销持续保持良好势头。在储能领域,2022—2024年间,我国新型储能单年新增装机规模超过此前所有年份总和,新型储能占比从2020年的9.2%提升至55.2%。近期,国家能源局、国家发改委联合出台《新型储能规模化建设专项行动方案(2025-2027年)》,将引导我国储能产业进入大规模化发展阶段。
随着锂离子电池在新能源汽车、储能电站等领域的广泛应用,安全问题也随之凸显。据统计,3C电子产品和电动自行车每年发生的火灾事故达数万起,电动汽车火灾事故也频繁发生。据国家消防救援局的统计数据(2022一季度)计算表明,我国新能源汽车火灾发生概率与燃油汽车相差不大,但新能源汽车的安全风险要略高于燃油汽车,尤其是采用高能量密度三元电池作为动力的新能源汽车,一旦发生火灾事故,其严重程度远超燃油汽车事故。在储能领域,各类储能电站火灾事故均时有发生,2022年至今,我国每座储能电站年均发生火灾事故的概率约为0.4—0.6%,这一数据大致与全球平均水平持平,但作为火灾事故来讲其概率还是很高的。
上述数据表面,安全已成为锂离子电池相关产业发展的痛点。为保障锂离子电池相关产业的安全,我们要构筑好“三道防线”。
第一,电池要做得足够安全,也就是实现“电池本体安全”,目标是将电池火灾发生概率降至最低,由当前的千万分之一,力争降至未来的万万分之一,甚至是十万万分之一;第二,在锂离子电池使用过程中,要能够及时发现和捕捉到事故隐患苗头,并同步预警和及时处置,将事故“扼杀在萌芽状态”;第三,若突破前两道防线,需在电池发生火灾的瞬间及时发现报警,并联动消防系统进行快速扑救,实现“小火不成大灾”。围绕上述“三道防线”,学界和产业界已经发明了多项行之有效的技术。
在本体安全方面,通过高安全材料的研发,有效提升了单体电池的安全性。关于电池安全材料研发,学界基于电池热失控机理和主控机制等方面的基础研究,获得了影响电池安全性的几种关键材料。对于关键材料之一的电解液,学界通过密度泛函理论设计、采用多元阻燃协同添加等技术,有效提升了电解液安全性。对于关键材料之二的正极材料,通过采用高性能掺杂与包覆协同的方法,来提升其分解温度、降低分解反应热以及产氧量,以实现电池的安全目标。
在过程安全方面,研发了电池系统热管理与故障隐患预测预警技术。第一是热管理与热失控阻隔耦合技术(变导热系数材料)。该技术的优势是在电池系统正常工作温度阶段是以导热为主,能够将电池系统充放循环产生的热量高效快速地导走,维持电池系统均温,提升电池系统的使用寿命和安全性。当电池达到濒临热失控温度时以吸热为主,通过材料反应吸热来抑制热失控的发生。当电池发生热失控后的高温阶段又以隔热为主,利用热阻隔技术有效阻断热量传递,避免波及周边正常电池,防止热失控扩散;第二是电池系统故障隐患诊断技术。目前学界已经发明了包括超声无损监测技术、光纤原位监测技术、基于电化学阻抗谱的故障诊断技术等,同时针对电池串并联可能出现的虚接等问题,发展了电池状态评价方法与串并联故障诊断技术,但这些技术的大规模产业化应用还需时日;第三是电池热失控分时预警与精准定位技术。采用光频域与光时域分析技术,结合光频域编码解调算法及光时域扫描,基于不同参数与阈值实现分时预警,并精准定位至单体电池,通过更换问题电池消除风险。
在消防安全方面,创新发展了基于电池系统火灾特性的灭火抗复燃技术。第一是研发了电池热失控与火灾报警联动技术。即针对不同类型、不同SOC状态的电池,开展过充、外短路等热失控实验,分析电池热失控过程中各物理参量的变化规律,明确可用于电池热失控预警和火灾报警的物理参量及阈值,进而基于电池结构模型、三维热模型等,建立了联动报警机制。第二是创新研发了电池模组的高效灭火和抗复燃技术。从灭火性能、绝缘性能、降温性能、抗复燃性能等来综合判断,在现有消防药剂中还没有一种灭火药剂是特别适合锂离子电池系统火灾,只能说相对而言全氟己酮略好,为此学界在灭火方法上实现了创新,采用首次快速喷放而后多次缓释的灭火剂喷洒方法,来确保快速灭火,长时保持电池系统内的灭火剂维持在有效浓度以上,并利用全氟己酮的液态特性带走热量,降低电池温度,实现高效灭火与抗复燃的目标。
上述内容只是从技术层面谈了守住锂离子相关产业安全的“三道防线”,但要真正守住安全底线,保障行业高质量发展,仅靠技术支撑远远不够。各行业企业需加强自律,坚决破除“价格内卷”的非理性竞争。同时,政府与行业主管部门需发挥引导作用,督促企业从“卷价格”转向“卷技术”“卷创新”“卷服务”,推动行业形成良性竞争格局,以实现锂离子电池相关产业的高安全、高质量发展。
文丨本报记者 杨梓/整理