中国储能网讯：5月24日，由中国化学与物理电源行业协会主办，200余家机构共同支持的第十一届中国国际储能大会在杭州洲际酒店召开。此次大会主题是“坚守储能安全底线，推动产业创新发展”。来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的718家产业链企业，1952位嘉宾参加了本届大会，其中88家企业展示了储能产品。
在5月26日下午的“新型储能技术及应用”专场，中国科学院上海硅酸盐研究所副研究员靳俊分享了主题报告《高能密度储能电池安全策略》。经演讲人本人授权同意，小编整理了演讲速记，并将速记内容分享如下：
靳俊：首先，感谢组委会的邀请，本次报告我将从以下四方面进行介绍（图示）。
储能电池的应用非常广泛，从上世纪90年代锂电池普及以来，在各个领域得到应用，我们将其归纳为：广、大、险。广，应用领域比较广，3C电池、电动自行车和电动汽车上已经得到广泛的应用。大，在风能、太阳能电池发电等领域都需要的大规模储能电站。险，指在国防军工等特殊领域以及涉及国民经济重大领域，包括医院、银行、交通枢纽等。
以电动汽车为例，目前仍然存在续航里程的问题，同时在一些应用场景存在一些安全问题。针对能量密度问题，我们可以看到这是一个能量金字塔结构。在大规模储能，我们可以看到钠硫电池、锂离子电池以及其他化学储能电源已经得到应用。针对锂离子电池，为了提高能量密度，我们可以通过优选电极材料进行匹配，采用更高比容量的正负极材料，不久的将来有望可以实现动力电池达到500Wh/kg的目标。
在电池安全方面，我们主要从三个方面来考虑：第一，反应体系设计。我们以beta-Al2O3固态电解质电池为例，主要有钠硫电池和钠氯化物电池钠硫电池也发生过一些安全事故，为了提升电池安全性，开发钠氯化物电池，这样可以解决电池的一些安全问题。第二，电解质体系设计。传统的锂离子电池还是基于可燃易挥发的有机电解液为主的，为了解决它的安全问题，我们通过采用固态电解质替代有机质电解质。第三，介质体系。这里主要指燃料电池、液流电池体系。
针对固态锂离子电池体系，从图中也可以看出，目前该研究在国际上目前还是属于热点，美国、日本、欧洲等都制定了固态电池的发展规划。我国相关部门也制定了很多的发展规划，目前很多企业也在布局固态电池。从以上的几种电池体系对比可以看出，通过对固态电池的体系优化，是可以期望获得更高的能量密度。
在固态电池体系设计方面，活性物质可以分为：气态、液态、固态。气态是以燃料电池作为代表，液态以钠硫电池为代表，因为钠硫电池的工作温度一般是在300-350度，这时候钠、硫都会熔融态。固态体系是以锂离子电池作为典型代表。目前，以上几类电池都已经形成了一定的规模。
（图示）在高比能储能电池设计方面，我们前期也做了一些工作。从图中可以看到，我们正极是采用高容量硫或三元，负极采用金属锂，这样可以设计出500瓦时/公斤的固态电池。大家可以看这张表，基于兆瓦时电池系统，可以看到，对能量密度的提升，不光是需要单体电池有高的能量密度，同时系统集成还是有很多需要考虑的方面。为提升能量密度，主要是正、负极和电解质等材料的体系选择。为解决安全性问题，采用固态电解质，当然，固态电解质也有很多的体系，包括氧化物体系、硫化物体系、聚合物体系以及复合电解质体系。
（图示）这是我们做的一些基于固态和液态界面的工作。可以看到，基于全固态电池，由于在界面接触问题，造成界面阻抗会比较大，循环过程中容易短路。但是在活性物质和固态电解质的界面，通过设计之后，它对抑制锂枝晶作用就会有很好的改善，包括介质稳定性、CCD得到了很好的提升。
（图示）陶瓷电解质隔膜的高温钠电池，这是两个典型的代表，左边是日本NGK的钠硫电池，我们研究团队从上世纪七八十年代开始研究，也做到了一定的规模。Zebra电池，主要在一些特殊领域，包括煤矿、救援、潜航等对安全要求比较高的领域得到一些应用。美国GE公司已经做很多工作。
（图示）这是我们前期做的一些器件以及系统。针对钠电池，我们团队最早做的是钠硫电池，钠硫电池是做到国际上最大的单体电池，650Ah。后续，我们也开展了钠氯化物电池研究，大家可以看到一致性是不错的，也做了一些系统
图中可以看到左上角是日本当时钠硫电池电站发生的燃烧事故，钠硫电池燃烧以后无法灭火，只能等电站完全烧塌。所以针对单体电池，我们对陶瓷管失效、封接部位、界面问题，开展了一些模拟工作，对我们后续电池模组的设计做了一些探索。
在陶瓷电解质体系，我们主要通过以下六方面对电池体系做一些设计，包括：第一，陶瓷管的设计。要提高它的致密度、机械强度，在强循环下的热循环。第二，阴极设计。第三，负极管设计。这里面有一些特殊的构造，是为了防止电池在失效过程中造成单体电池或者系统里的内循环问题。第四，电池结构设计。第五，电化学监控设备。第六，模块设计。
（图示）这个体系最早是在钠硫和钠氯化物电池里做的研究，也有一些研究人员把这个体系扩展到固态锂电池里。大家可以看到这种结构设计已经在锂离子电池里有一些原理型设计。
（图示）这是我们通过固态电解质原位引发制备的阻燃性电解质体系。
（图示）可以看到电池在长时间稳定性还是不错的。组装的电池通过剪切、火烧，电池也没有发生一些安全事故。当然，这还在实验室的验证阶段。
（图示）在“十三五”的时候，我们牵头了一个国家重点研发计划，高安全性长寿命储能型固态电池的基础与应用研究工作，这个项目集合了多家单位，包括高校、研究所、企业等，针对材料体系、界面、电芯、系统、失效机制开展了研究。重点是基于电网对高安全长寿命储能的需求，开展软包固态电池的基础和应用研究。
（图示）这是项目研究过程中两个固态电池企业开发的能量型和功率型的电芯。大家可以看到单体电池基本上能够做到30Ah以上，循环稳定性做的也还不错，目前在安全方面，我们也做了第三方的评估，满足要求。现在两家企业各自研制的储能电池模块，目前已经接入电网，正在进行示范运行。
做一个简单的总结：从目前的固态电池体系向大容量高安全的全固态储能电池体系发展，从根本上需要解决安全性问题。加速固态电池的智能制造技术植入，提升全固态电池工艺技术，实现储能用固态电池规模化，降低成本。第三，推进新型材料体系的技术开发，借用原位以及尖端分析阶段阐明材料本质问题。第四，深入开展固态电池服役过程中的失效分析，建立并完善储能用固态电池的标准，指导固态电池的测试评估。第五，加速推进大容量固态电池储能系统的示范，为固态电池大规模应用积累数据。第六，开发新型的固态电池储能技术。
谢谢大家！
主持人：下面，有请中国科学院电工研究所电子器件散热技术研究组组长、研究员徐立，分享《电池热管理技术研究》，欢迎！
徐立：非常感谢江老师，也非常感谢大会给我们这次增加的交流机会，特别感谢在座的各位嘉宾能坚持到最后。
我是来自中国科学院电工研究所电子器件散热技术组的徐立，在座各位嘉宾可能熟悉我们中国科学院电工所储热所的陈永翀老师。我代表我的组和在座各位嘉宾分享一下我们的一些研究成果。
我的报告主要分为四部分：第一部分，电池热管理的重要性；第二部分，电池热管理的技术形式；第三部分，固-液相变糊状区微观研究；第四部分，固-液相变仿生流道。
电池热管理，热的表征就是温度，电池是一个电化学反应，不可避免是和温度紧密相关的，因为化学反应是要在一定温度下进行的。不能太低，低了电解液就冻掉了，根本不发生反应。更大的问题就是对高温的问题，如果产生很大的高温，释放不掉，会带来一系列严重的后果，包括材料的破坏，甚至包括爆炸。从温度的角度来说，对电化学系统的运营、充放效率、可充性、电池寿命和循环次数有关，这只是给性能或者说从成本的角度上有一些保障。
未来电池的发展趋势，其实这和大家用的手机是一样的，它的性能要不断提升，电池也是，它的功率和容量也是要不断提升的。换句话说，对我们功率密度是要逐渐加大的，单位体积或者说单位质量功率更强。
最关键的一个问题就是可靠性和安全性的问题。我们看这张图，是一则新闻，这次大会有很多研究者都提到了北京丰台爆炸的问题，从我个人的角度和大家分享一下，这个地点距我家很近，1-2公里，它其实就是一个卖家具的大卖场，里面有很多充电桩。目前北京电动汽车发展的非常快，对充电桩的需求很大，因此它在很多地点建设了很多充电桩，它是光伏，配合一定的光伏，给充电桩提供电。我的家具就是在这儿买的，大家想想，作为一个普通人，如果遇到这样的情况，也是非常担心的，也是非常可怕的。大家在地图上查一下，这个地点还是一个很关键的地点，它在北京的南四环内，东侧其实就是大家熟悉的北京最重要的一条道，就是中轴线，它的位置很重要，离天安门、中南海的距离是10公里以内。所以说，它发生了这种伤亡事件，而且新闻的标题是“在毫无征兆的情况下突发爆炸”，所以说引起了大家的关注。目前北京类似这种给充电桩提供储能配套的，都处在安全检查阶段，什么时间恢复，现在还不知道，所以它带来的后果是比较严重的。
因此，热管理在安全性、可靠性中起到了很大的作用。之前很多报告讲的，主要是从火灾的角度上来讲的，就是说着火之后怎么处理。我们热管理是在之前避免发生，我们有足够的能力去给它提供一定的散热能力，即使发生很大的热量，我们能够及时吸收掉，并排放掉，这是我们热管理所起到的作用，是在事先，而消防安全是在事后。
（图示）这幅图展示的就是电池产热的一个主要原理，主要是三种不同的机理。上面的机理是我们最熟悉的焦耳热，有电流、电阻，电流、电阻增大，焦耳热就增大，会提高温度。还有就是电化学，它有化学反应，有放热的反应。这个图的横坐标是放热的深度，随着放热，化学的热也不断放出，也对我们的温度做出了很大的贡献。最后一个是熵热，它的作用不是很大，但是它也是随着放热的深度发生变化的。这张图一是向大家展现了产热的不同机理，二是说温度预测是很难的，从机理的角度上来说是很难的。因为我们看到随着放热深度的不同，各个机理产生的热都是不同的，我们很难说有精确的，从数值模型角度上，它有，但是它的精度有多高。另外，它和我们的产品是直接相关的，比如说材料的品质，以及加工工艺的问题，都对电池的加工工艺有影响。因此，我们从理论的角度可以提供一个数值供大家参考，但是这和实际情况下热量的产生、温度的升高，都是不同的。
还有一种方法就是通过我们测量的手段，其实现在的一些管理都包括了测量，但是测量的点、测量的准确性，测量受到其他因素的影响，最终对管理系统起到多大的影响，准确率有多高，其实还是有疑问的。
下面，给大家简单介绍一下我们电池热管理中最常用的几种手段：第一，强迫空气。就像我们现在的空调，不断提供冷风，把电池表面的热带走。第二，强迫液冷。这次参展的也有好几家做这块，通过冷却介质或者水冷，都是属于强迫液冷。第三，浸没。现在在数据中心一部分有应用，但是在电池这块也有应用，比如说奥迪的电动汽车，但是只是从实验室的概念级别提出了浸没式的概念，把电池浸在液体中，把电池释放的热量提取出来。第四，热电制冷。主要是通过通一些电流，产生大的温差，实现一些制冷的效果。这个有使用，但是极少，主要是在电池测试系统中有应用，因为它的灵敏度很高。第五，热管。第六，相变材料。最近这几年大家研究的很多，我们实验室也在这方面有了一定的研究工作，下面也给大家重点展示。
（图示）右侧这张图，是经典教材中都有一张图，正好展示了电池目前热管理的几种换热手段。最上面那条，是两条线中间夹着一个区域，最上面夹的区域就是空气自然冷却，对应下面的换热能力是很小的，它是小规模，比如说大家手上用的充电宝，通过空气的自然冷却就足够了。对于工业上用的，特别是对于大规模电池要用的，肯定是需要一些强迫的手段，接下来就是强迫空气的。再下面，能力高的就是浸没式的冷却，再下面就是水冷，还有就是利用我们浸没式中液体沸腾的强烈换热。
（图示）给大家展示这张图，主要是看黑色这条虚线，它代表着温差，比如说电池的热表面，它的温度和我们使用换热介质的温度差值。第一条黑色的曲线和红色曲线的向上焦点，它位于强迫空气冷却的区域，它表示什么？比如说空气的温度要低于电池表面温度20度的时候，表面的换热力度是多少呢？还不到0.1W/平方厘米，这是它的能力。我们看另外一条红色虚线和黑色虚线的焦点，它是水冷，就是水的强迫冷却，它的换热能力在4，这也是我们在选择换热手段或者说换热技术时最为重要的一个依据。我们电池的工作环境，你需要多少，就有相应的技术，有不同的温差，有不同的换热能量密度，这是我们在选择时最重要的一个依据。
其余两条线主要是浸没式的，是非相变的能力，它的能力大概在20度温差左右，是0.4，要高于空冷，但是要低于水的强迫冷却。我们说浸没式还有通过沸腾来进行的冷却方式，它在20度的时候，最高能达到10，它是空冷相同温差下的100倍，效果是非常好的。但是沸腾带来的一个相变问题，就是对于我们系统来说，会产生很大的蒸汽压力，所以这套系统也很复杂，所以我们多数用于数据中心的冷却，目前还没有用于电池热管理，电池热管理的浸没式还是通过自然冷却，现在商业化、规模化的还没有。
下面，我和大家分享一下固-液相变。固-液相变有它的好处，首先它利用的热是发生前热，是在吸收或者释放大量的热量，而不是空气冷却或者水冷用的显热，我们知道显热的问题在于它需要很大的温差。相变尤其固-液相变，温度的变化很小，在很小的情况下就能有很强的换热量，特别适合电池热管理方面。因为它的换热和吸热恰恰能与化学的反应相匹配，因为我们化学的反应本来就是一个吸热和放热的反应，放在电池就是在充放电当中，能够和固-液相变有一个很好的配合，这是固-液相变主要的优点。
现在我们最主要用的强制风冷和液冷技术相比，冷却效率高。就液冷来说，区别之前的浸没式，这种液冷技术或者水冷肯定是要采用间接式换热，不是和电池的壁面直接接触，需要有一个外力来和电池换热。虽然它的能力相同情况下要比空气高，但是实际上它还有一定的损失。但是在固-液相变就不同了，类似有浸没的技术，可以把相变材料直接和热的壁面相结合，所以效率高，结构也紧凑，因为是固体，也不发生气化，不需要很大的空间，而且安装简单，不需要其他的耗功，成本低。
它还有一个特点，有效控制温度降低，而且具有均温。我们的温度有高和低的地方，这样放在相变材料中，相当于是提供一个阈，可以使它的均匀性得到一定的提升，也比较好控制。因为它是固-液相变，温度发生点本身就很低，即使我有很大的热量过来，也可以及时消化掉，这是它的能力。
制约它的一个缺点，就是它的导热系数太低，导热系数是热量传导的能力，就是说它虽然冷却能力强，但是它对于时间来说，一定时间内的传递是比较低的。就是说，我可能接触了这块，很快就发生相变，远的地方可能还没有发生相变，就是说热导率比较低，这也是制约固-液相变材料发展的关键因素。
我们课题组主要是关注固-液相变材料，主要是如何突破低导热系数的问题。我们主要从材料的机理方面开始进行研究，通过一些强化的手段，它涉及到固-液相变材料中哪些机理，哪些是我们掌握了，哪些是我们没有掌握的，这很重要。相变材料，进行热管理中的一些相变材料，主要是多组分的物质，所以它是有温度差的，液相的温度和固相的温度，中间是有差距的。在两个温度之间，它有一个模糊区，这个模糊区存在于固相区和液相区之间，这个区就是液相和固相的混合区，所以模糊区才是相变材料融化和凝固的起始点，也是前热释放和吸收最集中的地方。因此，我们要从根本上对固-液相变材料从材料这个角度来进行研究，不可少的是要本质地认识固-液相变的过程，特别是对于模糊状区微观的演化过程，涉及到哪些机理，有哪些表征，能够为我们的传热进行一些分析。在这些的基础上，我们才能进行下一步的强化手段，来弥补这种导热系数不足的缺陷。
涉及到了微观的一些原理，我们从不同尺度来进行研究，因为从材料来说，从宏观角度一直到纳米级别，宏观角度、微观角度以及介观角度，我们都进行了不同的研究，它们之间有交叉、有对比。在这里主要和大家展示，微观区主要考虑哪些问题？表征它的一些模型，比如说焓-多孔度的模型，比如说模糊区常数。从微观角度来说，因为现在没有相关的传热学在这块有公认的机理，那么我们就要从微观演化过程，也就是从相变开始到相变结束，它的微观到底是怎么演化的，它涉及到的微观传热、微观动力学是怎么变化的，我们首先要从微观的角度上能观察到。然后再进行科学的明列，提出一些和我们模型相关的关联式，以及一些模糊区渗透率。之后，通过宏观和微观的比较，从介观的角度来对比模糊区域的流动规律，总结出它的一些渗透率、模糊常数等等，这是通过宏、微观的观察，我们通过一些提炼和总结得到的。
（图示）这是我们在实验中的一个工况，我们通过一些微观观察的手段，在右侧这张图片，在第一张图选取了一个特定熔化区，随着给两侧加热，逐渐熔化，通过ABC一直到F这张图，表征的区域完全由固态变成液态了。从表征区从固到液的变化，我们来观察模糊区是怎么发生的，通过我们的观察，发现最上面那张图中看出来，其实在熔化过程的模糊区有一些类似絮状的固体产生，这和我们观察到的由液到固这样一个逆过程是不同的。因为在逆过程中，我们观察凝固过程是非常明显的，但是在熔化过程中，模糊区发现固、液之间的关系是很模糊的，呈絮状。因此，我们发现模糊区中，熔化并不是凝固的一个简单逆向过程，也就是说，从传热器的角度上来讲，它的换热能力是不同的，这与我们之前的一些理解是相反的。
为此，进一步的研究，通过我们本身的观察，固-液变化是怎么发生的，有怎样的传热规律，能够给我们提供哪些帮助。现在我们想利用这些基础研究，主要的目的就是强化，强化相变材料的换热能力。通过我们的研究和观察，主要是从仿生学的角度来说，从我们接触的生物来说，比如说树，我们看树根的生长，由粗变细，还有树枝的分叉，都是有一定规律的。而且人体内肾脏的传输管路，都是有一定规律的，它们都符合一定的规律。我们希望通过微尺度强化的手段，能够改变相变材料的缺点（导热性太低），希望从热的区域，快速将热分散到固体材料区中，利用我们相变材料前热最大的优势，能够把我们的热量迅速导出去，然后通过相变材料能够把温度吸收上去。通过这些手段，能够保障电池材料的温度和相变材料的温度，迅速给材料进行冷却。
从另外一个角度来说，空调冷却、空气冷却也好，还是液冷也好，它们维持设计点的工况没有问题，但是一旦突发高的能量密度，就是说温度突然间增长，但是它的换热能力比较差，没有一个消纳的能力，只靠通过传导热，通过大气。但是我们相变材料有它的优点，就是能够吸纳热量，能够把我们产生的突然间的热仍然吸纳过去，再传热，能起到一个缓冲的作用。所以说，对于突然发生热量的时候，它能够马上消纳，但是温度却基本不发生变化，所以说对电池的冷却有很大的变化。
（图示）下面，这张图是我们研究的成果，就是我们把一个热的电池放在里面，如果我们不采取放生流道散热的技术手段，达不到这样的效果。通过下面这张图，通过仿生的微通道，把热量快速输送到相变材料的各个部分，这样相变材料的潜力充分发挥出来，在时间上也给电池赢得了很大的优势，能够把热量从电池的近端快速传到远端，解决我们材料内部不均匀的缺点。
以上是我的分享，谢谢各位！谢谢您的坚持！
