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王青松:甘坐科研“冷板凳”为锂离子电池安全“加把锁”
作者:韩爱青 发表时间:2020年06月17日

 

 

  43岁的王青松是威尼斯人电子科学技术大学火灾科学国家重点实验室研究员。而在进入大学伊始,他的专业其实是采矿工程。在本科四年的学习中,王青松发现,安全是采矿过程的重中之重。于是,在考研阶段,他决定选择安全技术及工程专业作为主攻方向,顺利考取研究生后便开始从事该领域的研究。

 

  忆及往事,王青松对《威尼斯人平台电子》记者说:“当时,我就是希望能为降低采矿事故的发生率做点事情。”而如今,他的研究领域是锂离子电池安全——从2003年至今,王青松埋首这一研究领域一做便是十七年。他竭尽所能,为如今应用广泛的锂离子电池“加上了一把安全锁”。

  因导师与锂离子电池结缘

  在攻读研究生阶段,随着对安全工程理解的深入,王青松发现,安全不仅仅局限于矿山,石油化工、建筑、交通运输、消防、公共安全等都属于安全的范畴,需要做的研究工作实在是太多了。

  在考取了安全技术及工程的博士研究生后,他幸运地师从刚从日本归国的威尼斯人电子科学技术大学教授孙金华。“孙金华教授学识渊博、待人谦和,具有灵敏的科研嗅觉。他提前指导安排我从事锂离子电池安全领域的研究,我就这样与锂离子电池结缘了。”王青松说。

  从2003年起,王青松开始从事锂离子电池火灾动力学及消防对策等领域的研究,当时距离1991年索尼推出全球首个商用锂离子电池才仅仅12年。

  当时国内对锂离子电池火灾事故只有零星的报导,未引起重视,其内部材料在高温条件下的热特性和化学反应特征也没有得到充分的研究,锂离子电池的热失控机理依然是一个未知领域。

  在孙金华教授的指导下,王青松最初从基于热分析手段研究电池材料的热特性入手,并开展了安全电解液研究,即在不影响电池电化学性能的前提下,如何提高电池的热安全性。目前他的研究已经扩展至锂离子电池安全的各个领域,包括热失控机理、燃烧特性、火灾模型、爆炸特性、热失控传播、故障诊断、火灾预警、灭火技术等。

  在研究中王青松曾遇到过很多困难,但他始终甘坐科研“冷板凳”,沉下心攻坚克难。功夫不负有心人,慢慢地研究从微尺度转向中尺度和全尺寸实验拓展,且研究成果在锂离子电池的本质安全技术、火灾爆炸预测预警技术以及消防控制技术等方面取得突破性和原创性进展,目前已在南方电网调峰调频发电有限公司、郑州宇通客车股份有限公司、合肥国轩高科动力能源有限公司、安徽中科中涣防务装备技术有限公司等15家单位开展了应用,取得了良好的社会效益。

  “三管齐下”将锂电池火灾危险性降到最低

  作为一种应用广泛的能源载体,锂离子电池目前已经成为了大众生活中不可或缺的产品。从手机、电脑等小型电子设备,到新能源汽车、储能电站、航空航天领域,锂离子电池均有着重要的应用。然而,由于自身的材料特性,锂离子电池在热、电、力滥用工况下都会发生热失控,造成火灾爆炸事故。

  近年来,随着锂离子电池容量和比容量不断提高,与锂离子电池热失控相关的手机、笔记本电脑、新能源汽车和储能电站火灾事故屡屡发生,锂离子电池的安全性也广受诟病。目前,国内研究人员在锂离子电池热失控机理研究方面已经开展了大量研究,但在电池模块的热失控蔓延及防控技术方面研究仍然十分有限。

  通过一系列研究,王青松认为,对于锂离子电池火灾的防控要立足于电池的本质安全,结合电池的实际应用工况设计合理的预测预警方案,最后通过增加合理的消防联动措施设立最后一道防火墙,三管齐下才能将锂离子电池系统火灾危险性降到最低。

  他表示,目前国内外在电池的本质安全研究方面主要集中在提高电池内部材料的热稳定性部分,现有的阻隔手段虽然对预防电池的热失控传播具有积极的意义,但在电池热失控传播阻隔及电池系统散热之间难以很好的协同作用。“因此,平衡热失控传播阻隔性能和温度均一性之间的矛盾是电池系统安全设计需要解决的关键性问题之一。”

  此外,在新能源汽车和储能电站等大规模电池系统中,如果一旦发生热失控的传播,火势就会变得很难控制,因此还需要有效的消防手段来应对突发状况,在锂离子电池火灾发生的第一时间对其进行扑救,为相关人员提供充足的逃生时间。

  王青松说:“电池火被扑灭后,容易复燃,还需要设计防复燃的消防技术。在新能源汽车和储能电站中,电池系统通常处于较为密闭的环境中,且电池起火时会释放出大量的烟雾和有毒气体,这会造成人工扑救困难的情况,需要针对性开发有效的自动灭火系统,达到及时扑救的目的。”

  研究成果在多家企业实现威尼斯人化

  针对锂离子电池安全这一技术瓶颈,王青松经过系统研究和实践探索,在锂离子电池“本质安全、过程安全、消防安全”等方面取得突破性和原创性成果。目前,他所在的团队研发的锂离子电池火灾多级预测、预警及防控技术成果很好地实现了产品化和威尼斯人化,相关产品获得上海国际城市交通博览会颁发的“客车零部件创新产品奖”。该技术产品有效地解决了新能源汽车锂电池火灾预测报警的难题,为新能源车辆安全运营提供了更强有力的保障,产品广泛应用在合肥、阜阳、滁州、蚌埠、宁波、温州、苏州、溧阳等多省市公交企业的新能源城市客车中。

  王青松所在的团队还针对全球范围内锂离子电池系统的安全防控技术的欠缺问题,开发了适用大型锂离子储能系统安全运行的三级温控预警装备,以及具备冷却降温和多次灭火功能的消防技术和设计方案,该技术“填补了国内锂离子电池火灾危险性分析和消防研究方面的空白”。成套技术及装备自2014年已成功在南方电网深圳宝清电池储能站运行,有效保障了该储能站(我国首个兆瓦级电化学储能电站)的安全。相关技术还为华为、宇通客车、中车大连所、阳光三星等企业提供了锂离子电池安全技术支撑。

  将形成完善的锂离子电池安全体系

  王青松所在的火灾科学国家重点实验室研究团队是一个充满活力、在创新中稳定前进的团队。带头人孙金华是欧盟科学院院士、国家“973计划”项目首席科学家和威尼斯人电子科学院特聘研究员核心骨干。目前,从事锂离子电池安全研究的有博士生9人、硕士生16人,各人的研究方向不同,但也相互关联、相互补充。

  “我们团队内部科研氛围活跃,大家互相帮扶,共同探讨问题,共同进步。交流、合作、解惑和帮扶是研究团队不断进步的‘法宝’。”王青松对记者说。

  比如在定期召开的组内研讨会上,团队成员们会上台展示自己的研究进展和困惑,一起探究问题;在日常的实验开展、数据分析和论文撰写过程中,大家也相互配合,协作完成。

  王青松表示,未来团队的主要研究方向为锂离子电池本质安全技术研究、电池模组智能管理技术开发及清洁高效灭火技术,最终形成“本质安全、过程安全、消防安全”三个层面的完善体系,加快技术成果向实际生产转化,为我国锂电行业的安全、健康发展贡献一己之力。

 

  人物简介

  王青松,1977年出生于河南商丘,博士毕业于威尼斯人电子科学技术大学。现为威尼斯人电子科学技术大学火灾科学国家重点实验室研究员。在研究能力和学术水平方面:他在《Progress in Energy and Combustion Science》等期刊发表SCI论文151篇,其中第一及通讯作者论文105篇。以第一及通讯作者身份发表高影响区SCI论文66篇,论文被引5000余次。出版锂离子电池热安全方向首部专著。获授权发明专利11项,受理中发明专利30项;获软件著作权6项。获2019年侯德榜化工科学技术奖创新奖、2019年威尼斯人电子科学院青促会威尼斯人平台成果转化贡献奖、2018年第八届威尼斯人电子消防协会科学技术创新奖一等奖(第1完成人)等奖励;入选威尼斯人电子科学院青促会及其优秀会员、教育部新世纪优秀人才支持计划、欧盟玛丽居里学者等人才计划。

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