UL王凱魯：梯次利用安全不可輕視 “UL1974標(biāo)準(zhǔn)草案”注重電池安全
美國(guó)UL商業(yè)暨工業(yè)事業(yè)研發(fā)技術(shù)部研發(fā)總監(jiān)王凱魯作主題演講
11月17日，“2017’第二屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)暨第三屆中國(guó)電池行業(yè)智能制造研討會(huì)”繼續(xù)在北京精彩召開(kāi)。本屆峰會(huì)由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)和電池中國(guó)網(wǎng)共同主辦，天津力神電池股份有限公司聯(lián)合主辦；中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)動(dòng)力電池應(yīng)用分會(huì)承辦，無(wú)錫先導(dǎo)智能裝備股份有限公司聯(lián)合承辦。參加此次峰會(huì)人數(shù)超600人。
在回收及后市場(chǎng)分論壇上，美國(guó)UL商業(yè)暨工業(yè)事業(yè)研發(fā)技術(shù)部研發(fā)總監(jiān)王凱魯作主題演講，從安全的角度探討了鋰電池在做梯次利用的時(shí)候可能會(huì)遇到的一些問(wèn)題，并和與會(huì)嘉賓分享了UL針對(duì)鋰電池梯次利用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)草案。
以下為王凱魯演講內(nèi)容：
謝謝組委會(huì)今天的邀請(qǐng)，我是美國(guó)UL王凱魯。今天想根據(jù)我們做電池安全研發(fā)超過(guò)十年的經(jīng)驗(yàn)，先從安全的角度來(lái)看鋰電池在做梯次利用的時(shí)候可能會(huì)遇到的一些安全相關(guān)問(wèn)題，第二個(gè)部分，我想跟大家分享UL對(duì)鋰電池梯次利用的標(biāo)準(zhǔn)草案。
我想大家對(duì)鋰電池爆炸，燃燒這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)該都不陌生。鋰電池這幾年來(lái)的大量使用，讓我們看到越來(lái)越多的安全問(wèn)題。同時(shí)我們也看到大家開(kāi)始重視鋰電池的安全性，也開(kāi)始進(jìn)行改善。但是對(duì)目前大家常用的絕大部分的鋰電池來(lái)講，還是存在著一個(gè)熱失控的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題就來(lái)自于鋰電池它的材料本身，因?yàn)殇囯姵厥褂靡恍┯袡C(jī)材料，這些材料本身在高溫下容易分解，造成一連串的反應(yīng)，而產(chǎn)生熱失控反應(yīng)。我們這兩天雖然有看到一些對(duì)電解液也好，對(duì)材料也好，比如隔離膜高溫安全性的提升，但是目前我們絕大部份使用的鋰離子電池還是存在著一定的熱失控危險(xiǎn)。在這樣的情況下，我們必須要認(rèn)清現(xiàn)實(shí)，鋰電池它有一定的失效風(fēng)險(xiǎn)。我想在十多年前，大家還會(huì)存在一個(gè)想象，我如果選一個(gè)完全不會(huì)出問(wèn)題的電芯，可能電池就不會(huì)有問(wèn)題了。但是很不幸，完全不會(huì)出問(wèn)題的電芯實(shí)際上不太可能存在。認(rèn)清這個(gè)現(xiàn)實(shí)之后，我們必須要試著了解，甚至是設(shè)計(jì)可能造成的失效模式與它的危害。我們大家都很清楚，像18650它有一些安全的模式，比如說(shuō)像它壓力過(guò)大的時(shí)候會(huì)經(jīng)由泄氣閥噴出，那個(gè)事實(shí)上是設(shè)計(jì)出來(lái)的一個(gè)結(jié)果。也就是說(shuō)我們可以預(yù)期它會(huì)從某些地方開(kāi)始失效，而怎么樣去了解電芯它的失效模式，這是在整個(gè)電池的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的時(shí)候一個(gè)非常重要的關(guān)鍵。一方面我們可以透過(guò)一些電芯測(cè)試評(píng)估，去了解電芯最可能造成的一些危害和失效的一些問(wèn)題，經(jīng)由適當(dāng)?shù)倪x擇來(lái)降低電芯所可能產(chǎn)生的危害。另一方面，我們也需要從系統(tǒng)端去預(yù)測(cè)這些電芯萬(wàn)一失效時(shí)會(huì)達(dá)到什么樣的程度，而進(jìn)一步去防范它失效的擴(kuò)散。
我們看整個(gè)鋰電池的產(chǎn)品中，影響到鋰電池安全的因素有三個(gè):設(shè)計(jì)，使用和質(zhì)量。我剛才提到設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)是一個(gè)很重要的部分，不論是透過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)降低或緩解失效風(fēng)險(xiǎn)或透過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)預(yù)期失效模式。當(dāng)然使用也是一個(gè)很重要的部分，大家可以了解電池在使用過(guò)后它的差異性會(huì)越來(lái)越大，使用過(guò)，老化之后，它的失效模式也會(huì)因?yàn)樗匣牟煌O(shè)計(jì)的不同，會(huì)有不同的一些模式的產(chǎn)生。同時(shí)，質(zhì)量問(wèn)題也是是很重要的因素。我們也看到在這十年來(lái)一連串因?yàn)殡姵匦旧a(chǎn)過(guò)程中雜質(zhì)所造成后來(lái)電池失效的案例。
也因此我們?cè)诳翠囯姵靥荽卫玫臅r(shí)候，有幾個(gè)大家必須要去注意的重點(diǎn)。第一個(gè)就是拆解和重組電池的安全，我相信絕大部分的電池設(shè)計(jì)在組裝的時(shí)候，絕對(duì)不會(huì)是為了讓它好拆解來(lái)設(shè)計(jì)的，所以拆解時(shí)候的如何設(shè)計(jì)出一個(gè)安全的流程是一個(gè)重點(diǎn)。第二個(gè)就是如果電芯和模塊沒(méi)有辦法再利用的時(shí)候，我們?cè)趺椿厥眨课覀冊(cè)趺翠N(xiāo)毀它？回收銷(xiāo)毀有很多安全問(wèn)題存在。我們常常會(huì)收到一些回收商的提問(wèn)，因?yàn)樗麄兂３?huì)遇到一些回收電池起火的問(wèn)題。如何能在在電池回收的流程中確保安全，這也是一個(gè)很重要的安全問(wèn)題。
另外一個(gè)重點(diǎn)是電池老化后失效模式的一些改變，這個(gè)我認(rèn)為是需要有一點(diǎn)時(shí)間，大家共同來(lái)研究的。雖然大家一致的都會(huì)認(rèn)為電池老化之后，能量降低了，所以安全性應(yīng)該也會(huì)變好一些。但是事實(shí)上我們有一些經(jīng)驗(yàn)，告訴我們說(shuō)電池老化事實(shí)上失效模式是會(huì)改變的。我們要了解這些失效模式，才可以在下一次梯次利用的時(shí)候，可以去預(yù)防這些問(wèn)題的產(chǎn)生。
最后一個(gè)安全的考慮，電池應(yīng)用的改變。我們大家一般都知道電池現(xiàn)在最大量就是在電動(dòng)車(chē)使用，這些原來(lái)是設(shè)計(jì)給電動(dòng)車(chē)使用的電池，我現(xiàn)在把它拿來(lái)當(dāng)做其他的應(yīng)用，譬如儲(chǔ)能，這兩個(gè)應(yīng)用是完全不同的。在這個(gè)應(yīng)用的改變之中，怎么樣可以確保這些電芯和模塊在我們拿到另外一個(gè)應(yīng)用端的時(shí)候，它還是有一樣安全的表現(xiàn)，甚至說(shuō)可能原先已經(jīng)設(shè)計(jì)好的一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，我只是今天拿一些梯次利用的電芯或者模塊來(lái)用。這些梯次利用的模塊，第一個(gè)它的一致性可能不高，它的來(lái)源或使用歷史可能又不確定，這樣的狀況之下，怎么確保這些兼容的問(wèn)題，我想這是一些我們必須要考慮的安全問(wèn)題。
我這里分享兩個(gè)視頻，是我們模擬電池內(nèi)短路的一個(gè)測(cè)試。左邊是在密閉的環(huán)境，右邊給它足夠的新鮮空氣。我們可以看到左邊這個(gè)只有冒煙，完全沒(méi)有起火。而右邊的除了起火，還產(chǎn)生了壓力把門(mén)脹開(kāi)。電池失效的時(shí)候，會(huì)因?yàn)樗沫h(huán)境會(huì)有很大不同的改變。想象今天如果電池原先是在電動(dòng)車(chē)的環(huán)境之下使用，它失效的時(shí)候可能很單純的就是向這樣冒煙的狀況，不會(huì)燃燒，不會(huì)造成更大的傷害。但是你把它拿到儲(chǔ)能來(lái)使用的時(shí)候，可能它的空間不一樣，給的氧氣不一樣，可能造成的失效模式就會(huì)完全不一樣。我們目前有些測(cè)試，可以了解到電池的失效，尤其在熱失控的時(shí)候，事實(shí)上是會(huì)產(chǎn)生一些可燃?xì)怏w譬如氫氣，尤其在低氧的狀況下，也就是說(shuō)如果環(huán)境不同，電池失效產(chǎn)生的危害也會(huì)不同。
另外一個(gè)案例我要分享的是我們幾年前做的一個(gè)18650老化研究。我們的方法很簡(jiǎn)單，就是對(duì)樣品充放電后，在不同的圈數(shù)，不同的老化程度，來(lái)做熱箱的測(cè)試。電池在熱箱測(cè)試中一定會(huì)失效，當(dāng)它是新的時(shí)候，或在100回，200回，300回的時(shí)候，失效模式都是氣體由泄氣閥噴出，這些都是設(shè)計(jì)出來(lái)的失效模式。但是四百回的時(shí)候，他的失效是整個(gè)炸開(kāi)。我們了解在這個(gè)案例中是因?yàn)樗匣螅瑲んw有一些腐蝕的狀況，所以造成它殼體沒(méi)辦法承受這么高的壓力而產(chǎn)生了不同的失效模式。我分析這兩個(gè)案例，主要是讓大家有一個(gè)感覺(jué)，了解到我們?cè)陔姵匾_(kāi)始梯次利用的時(shí)候，可能有些未知的問(wèn)題必須要想辦法事先去了解。
接下來(lái)我就稍微介紹一下這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的草案，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)將來(lái)會(huì)成為美國(guó)與加拿大的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。今天早些時(shí)候我和來(lái)所長(zhǎng)討論了一下，我們都同意梯次利用的標(biāo)準(zhǔn)不容易設(shè)計(jì)。不同于一般產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，梯次利用最終的產(chǎn)品是多樣的，不一定是儲(chǔ)能，也可能會(huì)是其他的用途。不僅最終的來(lái)源不確定，它的電池來(lái)源也不確定，它的整個(gè)程序是除了產(chǎn)品本身外我們也必須要考慮的問(wèn)題。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的草案事實(shí)上挺長(zhǎng)的，涵蓋了從拿到樣品，收集信息之后，拆解，怎么樣剔除，重組與檢測(cè)，還有最后運(yùn)送的過(guò)程，主要是把整個(gè)流程里面的幾個(gè)項(xiàng)目，透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估在梯次利用的過(guò)程之中，是不是所有必須包含的程序都能完成。最終的產(chǎn)品也還是必須要經(jīng)由最終產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行評(píng)估。
我大概稍微過(guò)一下這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。搜集信息這邊，主要的目的是去了解到這個(gè)電池它原先的設(shè)計(jì)，它使用的歷史到底是什么，提供給將來(lái)在梯次利用的時(shí)候的應(yīng)用端，去了解到這個(gè)電池的特性，也了解到使用過(guò)程中是不是有出過(guò)異常的問(wèn)題，來(lái)進(jìn)行篩選。剛才我有提到，有些老化的特性，失效的特性，這些都是在梯次利用時(shí)必須了解的。另外還要進(jìn)行一些初步的檢測(cè)，比如初始的電壓，SOC，阻抗等等。
在拆解和檢查這邊，基本上就是需要有一個(gè)程序去看它拆解前的電壓，最小可用的單位，還有一些拆解的流程，還有記錄整個(gè)過(guò)程與標(biāo)識(shí)。組件在拆解過(guò)程中就需要進(jìn)行一些基本的測(cè)試，比如說(shuō)它的電量，阻抗，自放電率等等。主要的目的是去篩選，了解哪些模塊或電芯還可以用，哪些必須要淘汰。
接下來(lái)就是測(cè)試，電量相關(guān)測(cè)試，阻抗，絕緣，電芯的健康狀態(tài)，安全測(cè)試，還有一些儲(chǔ)存條件等等，這一段里面有很多會(huì)引用到其他的一些測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。銷(xiāo)毀這個(gè)部分，除了把在前一個(gè)步驟剔除掉的這些零部件銷(xiāo)毀，在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中也要求了我們必須要對(duì)這些剔除的原因有一些記錄，也要有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的程序。可用與不可用的零件這些也需要有一個(gè)分流，避免在制造組裝的時(shí)候混入了原來(lái)的流程里面。另外就是地方法規(guī)，每個(gè)國(guó)家每個(gè)地方有它不同的法規(guī)，怎么樣在銷(xiāo)毀的時(shí)候能夠符合地方的法規(guī)。
接下來(lái)到了組裝和測(cè)試，組裝就是怎么樣匹配模塊、電芯，我剛才提過(guò)，一開(kāi)始這個(gè)電池設(shè)計(jì)的時(shí)候，它就不是讓你拆的。有些模塊不太容易再把它拆成電芯了，怎么樣對(duì)這些模塊來(lái)進(jìn)行分析，看看它到底適不適合配合在一起，需要有一個(gè)比較詳盡的流程來(lái)管控。還有其他組件，譬如BMS，怎么樣組合到新的電池中。
下一個(gè)在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)里面提到的就是生產(chǎn)測(cè)試，在生產(chǎn)的時(shí)候怎么樣去控制這個(gè)功能的測(cè)試，絕緣電壓、耐壓，這些跟安全性相關(guān)等等的要求。針對(duì)操作人員在操作時(shí)候的安全性還有產(chǎn)品的安全性這一塊來(lái)看。最后就是運(yùn)送，東西好了之后，標(biāo)記很重要，梯次利用的產(chǎn)品就必須要有梯次利用的標(biāo)記。另外就是操作指南，怎么樣讓最終的使用者能夠了解到它的規(guī)格是什么，怎么樣安裝，也是在標(biāo)準(zhǔn)中有定義的。另外就是包裝，怎么樣透過(guò)一個(gè)適合的包裝，讓這些電池在運(yùn)送的時(shí)候不會(huì)受到傷害，如何避免短路等等。另外很重要的，就是依照地方運(yùn)輸法規(guī)的規(guī)定。
我想大家在常常在談梯次利用的時(shí)候會(huì)很然地想到儲(chǔ)能。但是我想我們這里應(yīng)該把梯次利用和儲(chǔ)能電池分成兩塊，因?yàn)閮?chǔ)能電池有儲(chǔ)能電池遇到的一些問(wèn)題，梯次利用也有在過(guò)程中需要注意的安全問(wèn)題。梯次利用應(yīng)用到其他應(yīng)用上時(shí)，我們也是要參照每個(gè)應(yīng)用不同的安全標(biāo)準(zhǔn)的一些規(guī)范，在組裝完之后，根據(jù)最終應(yīng)用的一些規(guī)范來(lái)進(jìn)行測(cè)試，這是非常重要的。
以上大是我的報(bào)告，我這邊再多一頁(yè)與大家分享，就是歐美日儲(chǔ)能電池相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。在美國(guó)主要是以UL為主，儲(chǔ)能用電池是UL1973。UL9540看的應(yīng)用范圍比較大，看整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括充電放電，怎么樣跟電網(wǎng)連接這塊。UL1989是針對(duì)鉛酸電池的標(biāo)準(zhǔn)。UL1778是針對(duì)UPS的標(biāo)準(zhǔn)。在歐洲標(biāo)準(zhǔn)方面，早期因?yàn)樾聵?biāo)準(zhǔn)還沒(méi)出臺(tái)，是以IEC 62133為主，今年初才發(fā)布了IEC 62619，來(lái)規(guī)范儲(chǔ)能電池。日本目前還是以JIS C8715-2這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為主。謝謝大家！
（根據(jù)發(fā)言整理，已經(jīng)本人審閱）
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