馮旭寧：發明儲能電池系統熱失效防護技術，填補電池應用安全技術空白，未來計劃建立電池熱安全分析與設計理論 | 創新35人專欄

1 月 22 日，由 DeepTech 攜手絡繹科學舉辦的“MEET35：創新者說”論壇暨“35 歲以下科技創新 35 人”2021 年中國線上發布儀式成功舉行。來自科學界和產業界的人士在云端共同見證了新一屆中國青年科技領軍人物登場。

絡繹科學邀請到了“創新 35 人” 2021 中國入選者清華大學助理教授馮旭寧，做客直播間，從儲能電池安全應用的創新技術研究方面與我們進行了分享。 

作為“發明家”入選的馮旭寧的主要研究集中在儲能電池的安全應用以及儲能電池系統集成與優化管理上。其因在大尺寸電池的失控量熱技術的關鍵突破成功入選“創新 35 人”。

獲獎時年齡：33 歲

獲獎時職位：清華大學助理教授

獲獎理由：他發明了儲能電池系統熱失效防護技術，填補了電池應用領域的安全技術空白。

全球能源低碳化、零碳化轉型正推動新能源與可再生能源的加速規模應用。可再生能源普遍具有波動性、間歇性等問題，需要儲能技術進行消納。以鋰離子電池為代表的電化學儲能技術，以其靈活、快速、長壽命的優點，成為儲能領域裝機容量增長最快的技術之一，并快速取代了傳統的鉛酸電池和鎳氫電池。

然而，頻發的儲能電站火災，以及每年千余起電動汽車起火事故，引發了社會對儲能電池系統安全問題的普遍關注。儲能電池的安全問題成為了儲能技術大規模推廣應用過程中，亟需解決的瓶頸技術問題。

馮旭寧在近十年的研究生涯中，發明了儲能電池系統熱失效防護技術，填補了電池應用領域的安全技術空白，在工程技術領域形成了重要的國際學術影響力，產生了顯著的經濟和社會效益，使得材料科學研究中產出的更新體系、更低成本、更高比能量的鋰離子電池在儲能系統中能夠安全可靠地運行，為新能源與可再生能源的大規模應用提供了安全技術保障，從“電池熱安全”這一獨特的角度為實現“碳中和”目標做出了貢獻。

電池應用領域的全新安全技術——防患于未然

“面對電池系統的實際應用問題，我先開展了廣泛的文獻調研，通讀了2012年前幾乎所有的電池安全論文。這讓我清楚地認識到，電池安全的核心問題是‘熱失控’。我也在中國汽車技術研究中心開展過電池安全標準測試實習，結合多起事故現象，從實踐中認識到電池安全失效過程包含‘熱誘因’、‘熱失控’、‘熱蔓延’三個階段。電池系統的安全保障技術，應該從這三個階段分別入手，設定多層級的安全防護方法。層層阻斷并尋求成本最優。”馮旭寧介紹了他對電池安全的研究，基于這些研究，他形成了三個主要的側重研究方向，包括儲能電池的失控量熱測試與災害評價技術；高精度電池系統熱失控模型仿真與蔓延抑制技術；基于反應機理的電池熱失控時序解析與預警技術。馮旭寧的研究將電池熱失效問題由不可測變為準確可測，由可測變為定量可預測，由定量可預測變為可正向設計與提前預警。

解決電池安全問題的第一步是準確測量

馮旭寧介紹稱，“首先事故災害與電池失效釋放的能量緊密相關，準確的失控能量測試能夠為災害防護技術提供基礎數據的支持；其次人類科學發展史上，新規律新理論的發現都需要以準確的實驗觀測結果為前提。熱失控問題作為電池安全的核心問題，其得到解決的前提就是其特征的準確測量。”

大尺寸樣品熱分布不均勻，如何對大尺寸電池的熱失控特性進行準確測量，是解決的電池安全問題的第一步，也是當時電池安全問題研究進展緩慢的關鍵難點。

馮旭寧對加速量熱儀的內部溫場分布進行了分析，開發了“等熱容物替代+傳感器機械夾持+內置溫度傳感器”的量熱儀校準與測試方法，實現了大尺寸電池絕熱熱失控特性的準確測量。

頻繁開展全尺寸失效實驗幾乎是不可能的

“電池熱失控蔓延建模工作的開展十分重要，其原因是：第一，電池系統失效測試的成本極高，頻繁開展全尺寸失效實驗是幾乎不可能的，需要模型仿真技術來支持安全防護方案的選型；第二，百年的汽車工業發展史中，在新產品開發過程中極致追求效率。先通過數字化的模型仿真進行方案設計，然后再生產實物，已經形成慣例。但當時在電池安全方面尚無好的模型仿真手段。”馮旭寧認為，建立熱失控仿真模型是一項十分有意義的工作，抽象電池熱失控機理并建立高精度的熱失控仿真模型成為他的奮斗目標。

想要成功建模就必須熟知高溫驅動下的“熱-電-化學”耦合失效機理。馮旭寧通過設計量熱實驗，解耦了失效熱溢和固體傳熱之間的定量關系，在經典的電池熱管理模型中，引入了反應物歸一化濃度場的設置方法，實現了“反應物”“反應熱”“熱蔓延”三個場的分別解算與合并輸出。這符合熱失控反應釋熱機理，也簡化了模型仿真的計算量，在國際上率先實現了電池模組乃至系統熱失控蔓延的高精度模擬計算。

事故預警越早，越有更多的機會保護車輛乘員的安全

研究電池安全問題的出發點與落腳點都是為了保護人的安全，讓電池發生熱失控時就發出警報，在安全事故不可避免的情況下，降低事故帶來的影響。

對此，馮旭寧進行了具體闡釋，“內短路是誘發電池熱失控的共性環節，結合內短路機理，提煉出電池熱失控前的細微失效特征，就可能盡早地對故障進行預警。事故預警越早，越有更多的機會保護車輛乘員的安全，準確的熱失控預警功能對消費者和企業都至關重要。”

對此，馮旭寧設計了內短路導致熱失控的等效替代測試方法，建立了內短路失效的數字孿生模型，用于生成失效數據；解決了電池離散采樣信號的求微分問題，通過基于模型的方法提取電池失效早期異常產熱和自放電的微分信號特征；將提取的失效特征轉化為電池狀態量，實現了對電池失效故障的穩定、準確預報。

有相對安全的電池，但是沒有絕對安全的電池系統

對于電池安全，馮旭寧表示，有相對安全的電池，但是沒有絕對安全的電池系統，事故概率總是大于零的。當事故發生后，所有人都會關心事故起因，只有發現致災原因才能從源頭上解決問題。事故調查的目標就是為了在未來能夠防止類似的事故再次發生。

對于事故調查的必要工作，馮旭寧總結了三點：一是收集現場數據，形成時間鏈。需要及時訪問事故發生時的在場人員、勘察事故現場和調看事故發生時的監控，而查看大型儲能電站的設計圖紙也必不可少。二是根據現場情況反推事故源頭，確定失效誘因。從原始化學反應、電極、單體、模組、簇到最后的系統，推理從小失效起源到大能量釋放的演化過程。三是事故場景模擬重現，最終確認最可能的事故原因。

對于事故致災機理，馮旭寧分析表示，電池安全失效過程包含熱誘因－熱失效－熱蔓延三個階段。電池失效有三大誘因，機械誘因、電誘因和熱誘因，在三種誘因的刺激下，單節電池內部或外部發生化學反應失控及溫度過高引起熱失效，單節電池熱失效進一步向整個系統擴展形成熱蔓延。

構筑保衛電池安全的高墻

為了從主動安全、本質安全和被動安全入手為未來的電池安全保駕護航，馮旭寧帶領了 30 多人的團隊，正在從事自毀電池、熱失控前鋒面理論與冷凍技術和本質安全的儲能電池系統等方面的研究。

（1）自毀電池

“自毀電池”是指在電池內部植入毒化膠囊，在熱失控發生前，釋放毒化劑阻斷熱失控主反應的一種電池安全設計理念。馮旭寧帶領團隊以高鎳三元/硅碳負極的 >350Wh/kg 的高比能量鋰離子動力電池為主要研究對象，努力挑戰將 >350Wh/kg 鋰離子電池的熱失控危害降低到 <200Wh/kg 的鋰離子電池的相應水平。

近期，該方案取得了一定的突破，部分毒化劑配方已經能夠將三元 811 電池的熱失控最高溫度降低到磷酸鐵鋰的水平，目前正在和部分電池生產企業開展樣品測試。350Wh/kg 電池的安全性一旦突破，將有望使得純電動汽車在與傳統燃油車競爭中，在動力系統成本、續航里程兩個方面獲得優勢，加快新能源汽車的市場推廣進程。

（2）熱失控前鋒面理論

電池熱失控溫度高（可達 1000℃），速度快（可達 1000℃/s），熱失控瞬間發生的反應過程超出了現有儀器的檢測能力，難以進行準確表征。將時域高速熱失控過程在空間域減速，從而可以獲得豐富的熱失控反應產物信息，已成為熱化學反應機理分析的新手段。

馮旭寧近期的試驗結果已可將三元鋰離子電池的熱失控前鋒面在空間范圍內冷凍下來，并在空間范圍內見到了與高精度表征儀器測試相同的結果，且在結果中發現了從前未觀測到的反應產物。另外在熱失控前鋒面的理論計算方面，馮旭寧也取得了突破，即通過理論推導出了熱失控前鋒面的厚度及其推進速度與電池導熱系數和熱失控反應速率之間的二分之一次方關系，該關系式和現有的觀測結果均能夠吻合，可以進一步控制熱失控前鋒面的推進速度，在空間范圍內研究高速的化學反應過程。

據悉，該項目已獲得了國家自然科學基金資助。

（3）本質安全的儲能電池系統

目前，對鋰離子電池為主的 MWh 級儲能電池系統而言，還沒有有效的滅火控制方案。按照目前國內全面整頓儲能電站安全性情況來看，行業有可能因事故頻發而停滯不前，甚至改變技術路線。因此，馮旭寧決定帶領團隊在本質安全的儲能電池系統方面開展方案研究。

馮旭寧表示，“我期望達成的目標是實現儲能電池系統意義上的‘失效-安全’（Fail-Safe），即本質安全的儲能電池系統。這種技術使得即使在概率意義上發生部分電池的失效，也不會對整個電池系統造成很大的影響，更不會出現起火、爆炸等造成人員生命財產損失的惡性事件。”

馮旭寧和他的團隊將不斷地架設新體系電池和安全應用場景之間的橋梁，將高比能量電池帶出應用前的死亡谷，為世界提供“本質安全”的儲能電池系統。對于未來計劃，他說，“我希望經過 5-10 年的持續努力，從電池熱安全問題的相關研究成果中提煉出基礎理論，建立以熱力學、化學反應動力學、材料科學和安全科學為基礎的電池熱安全分析理論，并形成‘能源材料失效’的新興學科發展契機。”