美国UL商业暨工业事业研发技术部研发总监王凯鲁作主题演讲

　　11月17日，“2017’第二届动力电池应用国际峰会暨第三届中国电池行业智能制造研讨会”继续在北京精彩召开。本届峰会由中国化学与物理电源行业协会和电池中国网共同主办，天津力神电池股份有限公司联合主办；中国化学与物理电源行业协会动力电池应用分会承办，无锡先导智能装备股份有限公司联合承办。参加此次峰会人数超600人。

　　在回收及后市场分论坛上，美国UL商业暨工业事业研发技术部研发总监王凯鲁作主题演讲，从安全的角度探讨了锂电池在做梯次利用的时候可能会遇到的一些问题，并和与会嘉宾分享了UL针对锂电池梯次利用的一个标准草案。

　　以下为王凯鲁演讲内容：

　　谢谢组委会今天的邀请，我是美国UL王凯鲁。今天想根据我们做电池安全研发超过十年的经验，先从安全的角度来看锂电池在做梯次利用的时候可能会遇到的一些安全相关问题，第二个部分，我想跟大家分享UL对锂电池梯次利用的标准草案。

　　我想大家对锂电池爆炸，燃烧这个问题，应该都不陌生。锂电池这几年来的大量使用，让我们看到越来越多的安全问题。同时我们也看到大家开始重视锂电池的安全性，也开始进行改善。但是对目前大家常用的绝大部分的锂电池来讲，还是存在着一个热失控的问题。这个问题就来自于锂电池它的材料本身，因为锂电池使用一些有机材料，这些材料本身在高温下容易分解，造成一连串的反应，而产生热失控反应。我们这两天虽然有看到一些对电解液也好，对材料也好，比如隔离膜高温安全性的提升，但是目前我们绝大部份使用的锂离子电池还是存在着一定的热失控危险。在这样的情况下，我们必须要认清现实，锂电池它有一定的失效风险。我想在十多年前，大家还会存在一个想象，我如果选一个完全不会出问题的电芯，可能电池就不会有问题了。但是很不幸，完全不会出问题的电芯实际上不太可能存在。认清这个现实之后，我们必须要试着了解，甚至是设计可能造成的失效模式与它的危害。我们大家都很清楚，像18650它有一些安全的模式，比如说像它压力过大的时候会经由泄气阀喷出，那个事实上是设计出来的一个结果。也就是说我们可以预期它会从某些地方开始失效，而怎么样去了解电芯它的失效模式，这是在整个电池的设计开发的时候一个非常重要的关键。一方面我们可以透过一些电芯测试评估，去了解电芯最可能造成的一些危害和失效的一些问题，经由适当的选择来降低电芯所可能产生的危害。另一方面，我们也需要从系统端去预测这些电芯万一失效时会达到什么样的程度，而进一步去防范它失效的扩散。

　　我们看整个锂电池的产品中，影响到锂电池安全的因素有三个:设计，使用和质量。我刚才提到设计，设计是一个很重要的部分，不论是透过设计来降低或缓解失效风险或透过设计来预期失效模式。当然使用也是一个很重要的部分，大家可以了解电池在使用过后它的差异性会越来越大，使用过，老化之后，它的失效模式也会因为它老化的不同，设计的不同，会有不同的一些模式的产生。同时，质量问题也是是很重要的因素。我们也看到在这十年来一连串因为电池芯生产过程中杂质所造成后来电池失效的案例。

　　也因此我们在看锂电池梯次利用的时候，有几个大家必须要去注意的重点。第一个就是拆解和重组电池的安全，我相信绝大部分的电池设计在组装的时候，绝对不会是为了让它好拆解来设计的，所以拆解时候的如何设计出一个安全的流程是一个重点。第二个就是如果电芯和模块没有办法再利用的时候，我们怎么回收？我们怎么销毁它？回收销毁有很多安全问题存在。我们常常会收到一些回收商的提问，因为他们常常会遇到一些回收电池起火的问题。如何能在在电池回收的流程中确保安全，这也是一个很重要的安全问题。

　　另外一个重点是电池老化后失效模式的一些改变，这个我认为是需要有一点时间，大家共同来研究的。虽然大家一致的都会认为电池老化之后，能量降低了，所以安全性应该也会变好一些。但是事实上我们有一些经验，告诉我们说电池老化事实上失效模式是会改变的。我们要了解这些失效模式，才可以在下一次梯次利用的时候，可以去预防这些问题的产生。

　　最后一个安全的考虑，电池应用的改变。我们大家一般都知道电池现在最大量就是在电动车使用，这些原来是设计给电动车使用的电池，我现在把它拿来当做其他的应用，譬如储能，这两个应用是完全不同的。在这个应用的改变之中，怎么样可以确保这些电芯和模块在我们拿到另外一个应用端的时候，它还是有一样安全的表现，甚至说可能原先已经设计好的一个储能系统，我只是今天拿一些梯次利用的电芯或者模块来用。这些梯次利用的模块，第一个它的一致性可能不高，它的来源或使用历史可能又不确定，这样的状况之下，怎么确保这些兼容的问题，我想这是一些我们必须要考虑的安全问题。

　　我这里分享两个视频，是我们模拟电池内短路的一个测试。左边是在密闭的环境，右边给它足够的新鲜空气。我们可以看到左边这个只有冒烟，完全没有起火。而右边的除了起火，还产生了压力把门胀开。电池失效的时候，会因为它的环境会有很大不同的改变。想象今天如果电池原先是在电动车的环境之下使用，它失效的时候可能很单纯的就是向这样冒烟的状况，不会燃烧，不会造成更大的伤害。但是你把它拿到储能来使用的时候，可能它的空间不一样，给的氧气不一样，可能造成的失效模式就会完全不一样。我们目前有些测试，可以了解到电池的失效，尤其在热失控的时候，事实上是会产生一些可燃气体譬如氢气，尤其在低氧的状况下，也就是说如果环境不同，电池失效产生的危害也会不同。

　　另外一个案例我要分享的是我们几年前做的一个18650老化研究。我们的方法很简单，就是对样品充放电后，在不同的圈数，不同的老化程度，来做热箱的测试。电池在热箱测试中一定会失效，当它是新的时候，或在100回，200回，300回的时候，失效模式都是气体由泄气阀喷出，这些都是设计出来的失效模式。但是四百回的时候，他的失效是整个炸开。我们了解在这个案例中是因为它老化之后，壳体有一些腐蚀的状况，所以造成它壳体没办法承受这么高的压力而产生了不同的失效模式。我分析这两个案例，主要是让大家有一个感觉，了解到我们在电池要开始梯次利用的时候，可能有些未知的问题必须要想办法事先去了解。

　　接下来我就稍微介绍一下这个标准的草案，这个标准将来会成为美国与加拿大的国家标准。今天早些时候我和来所长讨论了一下，我们都同意梯次利用的标准不容易设计。不同于一般产品标准，梯次利用最终的产品是多样的，不一定是储能，也可能会是其他的用途。不仅最终的来源不确定，它的电池来源也不确定，它的整个程序是除了产品本身外我们也必须要考虑的问题。这个标准的草案事实上挺长的，涵盖了从拿到样品，收集信息之后，拆解，怎么样剔除，重组与检测，还有最后运送的过程，主要是把整个流程里面的几个项目，透过标准来评估在梯次利用的过程之中，是不是所有必须包含的程序都能完成。最终的产品也还是必须要经由最终产品的标准来进行评估。

　　我大概稍微过一下这个标准的内容。搜集信息这边，主要的目的是去了解到这个电池它原先的设计，它使用的历史到底是什么，提供给将来在梯次利用的时候的应用端，去了解到这个电池的特性，也了解到使用过程中是不是有出过异常的问题，来进行筛选。刚才我有提到，有些老化的特性，失效的特性，这些都是在梯次利用时必须了解的。另外还要进行一些初步的检测，比如初始的电压，SOC，阻抗等等。

　　在拆解和检查这边，基本上就是需要有一个程序去看它拆解前的电压，最小可用的单位，还有一些拆解的流程，还有记录整个过程与标识。组件在拆解过程中就需要进行一些基本的测试，比如说它的电量，阻抗，自放电率等等。主要的目的是去筛选，了解哪些模块或电芯还可以用，哪些必须要淘汰。

　　接下来就是测试，电量相关测试，阻抗，绝缘，电芯的健康状态，安全测试，还有一些储存条件等等，这一段里面有很多会引用到其他的一些测试标准。销毁这个部分，除了把在前一个步骤剔除掉的这些零部件销毁，在这个标准中也要求了我们必须要对这些剔除的原因有一些记录，也要有一个标准的程序。可用与不可用的零件这些也需要有一个分流，避免在制造组装的时候混入了原来的流程里面。另外就是地方法规，每个国家每个地方有它不同的法规，怎么样在销毁的时候能够符合地方的法规。

　　接下来到了组装和测试，组装就是怎么样匹配模块、电芯，我刚才提过，一开始这个电池设计的时候，它就不是让你拆的。有些模块不太容易再把它拆成电芯了，怎么样对这些模块来进行分析，看看它到底适不适合配合在一起，需要有一个比较详尽的流程来管控。还有其他组件，譬如BMS，怎么样组合到新的电池中。

　　下一个在这个标准里面提到的就是生产测试，在生产的时候怎么样去控制这个功能的测试，绝缘电压、耐压，这些跟安全性相关等等的要求。针对操作人员在操作时候的安全性还有产品的安全性这一块来看。最后就是运送，东西好了之后，标记很重要，梯次利用的产品就必须要有梯次利用的标记。另外就是操作指南，怎么样让最终的使用者能够了解到它的规格是什么，怎么样安装，也是在标准中有定义的。另外就是包装，怎么样透过一个适合的包装，让这些电池在运送的时候不会受到伤害，如何避免短路等等。另外很重要的，就是依照地方运输法规的规定。

　　我想大家在常常在谈梯次利用的时候会很然地想到储能。但是我想我们这里应该把梯次利用和储能电池分成两块，因为储能电池有储能电池遇到的一些问题，梯次利用也有在过程中需要注意的安全问题。梯次利用应用到其他应用上时，我们也是要参照每个应用不同的安全标准的一些规范，在组装完之后，根据最终应用的一些规范来进行测试，这是非常重要的。

　　以上大是我的报告，我这边再多一页与大家分享，就是欧美日储能电池相关的标准。在美国主要是以UL为主，储能用电池是UL1973。UL9540看的应用范围比较大，看整个储能系统，包括充电放电，怎么样跟电网连接这块。UL1989是针对铅酸电池的标准。UL1778是针对UPS的标准。在欧洲标准方面，早期因为新标准还没出台，是以IEC 62133为主，今年初才发布了IEC 62619，来规范储能电池。日本目前还是以JIS C8715-2这个标准为主。谢谢大家！

　　（根据发言整理，已经本人审阅）