UL王凱魯：梯次利用安全不可輕視 “UL1974標準草案”注重電池安全
美國UL商業暨工業事業研發技術部研發總監王凱魯作主題演講
11月17日，“2017’第二屆動力電池應用國際峰會暨第三屆中國電池行業智能制造研討會”繼續在北京精彩召開。本屆峰會由中國化學與物理電源行業協會和電池中國網共同主辦，天津力神電池股份有限公司聯合主辦；中國化學與物理電源行業協會動力電池應用分會承辦，無錫先導智能裝備股份有限公司聯合承辦。參加此次峰會人數超600人。
在回收及后市場分論壇上，美國UL商業暨工業事業研發技術部研發總監王凱魯作主題演講，從安全的角度探討了鋰電池在做梯次利用的時候可能會遇到的一些問題，并和與會嘉賓分享了UL針對鋰電池梯次利用的一個標準草案。
以下為王凱魯演講內容：
謝謝組委會今天的邀請，我是美國UL王凱魯。今天想根據我們做電池安全研發超過十年的經驗，先從安全的角度來看鋰電池在做梯次利用的時候可能會遇到的一些安全相關問題，第二個部分，我想跟大家分享UL對鋰電池梯次利用的標準草案。
我想大家對鋰電池爆炸，燃燒這個問題，應該都不陌生。鋰電池這幾年來的大量使用，讓我們看到越來越多的安全問題。同時我們也看到大家開始重視鋰電池的安全性，也開始進行改善。但是對目前大家常用的絕大部分的鋰電池來講，還是存在著一個熱失控的問題。這個問題就來自于鋰電池它的材料本身，因為鋰電池使用一些有機材料，這些材料本身在高溫下容易分解，造成一連串的反應，而產生熱失控反應。我們這兩天雖然有看到一些對電解液也好，對材料也好，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。在這樣的情況下，我們必須要認清現實，鋰電池它有一定的失效風險。我想在十多年前，大家還會存在一個想象，我如果選一個完全不會出問題的電芯，可能電池就不會有問題了。但是很不幸，完全不會出問題的電芯實際上不太可能存在。認清這個現實之后，我們必須要試著了解，甚至是設計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，比如說像它壓力過大的時候會經由泄氣閥噴出，那個事實上是設計出來的一個結果。也就是說我們可以預期它會從某些地方開始失效，而怎么樣去了解電芯它的失效模式，這是在整個電池的設計開發的時候一個非常重要的關鍵。一方面我們可以透過一些電芯測試評估，去了解電芯最可能造成的一些危害和失效的一些問題，經由適當的選擇來降低電芯所可能產生的危害。另一方面，我們也需要從系統端去預測這些電芯萬一失效時會達到什么樣的程度，而進一步去防范它失效的擴散。
我們看整個鋰電池的產品中，影響到鋰電池安全的因素有三個:設計，使用和質量。我剛才提到設計，設計是一個很重要的部分，不論是透過設計來降低或緩解失效風險或透過設計來預期失效模式。當然使用也是一個很重要的部分，大家可以了解電池在使用過后它的差異性會越來越大，使用過，老化之后，它的失效模式也會因為它老化的不同，設計的不同，會有不同的一些模式的產生。同時，質量問題也是是很重要的因素。我們也看到在這十年來一連串因為電池芯生產過程中雜質所造成后來電池失效的案例。
也因此我們在看鋰電池梯次利用的時候，有幾個大家必須要去注意的重點。第一個就是拆解和重組電池的安全，我相信絕大部分的電池設計在組裝的時候，絕對不會是為了讓它好拆解來設計的，所以拆解時候的如何設計出一個安全的流程是一個重點。第二個就是如果電芯和模塊沒有辦法再利用的時候，我們怎么回收？我們怎么銷毀它？回收銷毀有很多安全問題存在。我們常常會收到一些回收商的提問，因為他們常常會遇到一些回收電池起火的問題。如何能在在電池回收的流程中確保安全，這也是一個很重要的安全問題。
另外一個重點是電池老化后失效模式的一些改變，這個我認為是需要有一點時間，大家共同來研究的。雖然大家一致的都會認為電池老化之后，能量降低了，所以安全性應該也會變好一些。但是事實上我們有一些經驗，告訴我們說電池老化事實上失效模式是會改變的。我們要了解這些失效模式，才可以在下一次梯次利用的時候，可以去預防這些問題的產生。
最后一個安全的考慮，電池應用的改變。我們大家一般都知道電池現在最大量就是在電動車使用，這些原來是設計給電動車使用的電池，我現在把它拿來當做其他的應用，譬如儲能，這兩個應用是完全不同的。在這個應用的改變之中，怎么樣可以確保這些電芯和模塊在我們拿到另外一個應用端的時候，它還是有一樣安全的表現，甚至說可能原先已經設計好的一個儲能系統，我只是今天拿一些梯次利用的電芯或者模塊來用。這些梯次利用的模塊，第一個它的一致性可能不高，它的來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題，我想這是一些我們必須要考慮的安全問題。
我這里分享兩個視頻，是我們模擬電池內短路的一個測試。左邊是在密閉的環境，右邊給它足夠的新鮮空氣。我們可以看到左邊這個只有冒煙，完全沒有起火。而右邊的除了起火，還產生了壓力把門脹開。電池失效的時候，會因為它的環境會有很大不同的改變。想象今天如果電池原先是在電動車的環境之下使用，它失效的時候可能很單純的就是向這樣冒煙的狀況，不會燃燒，不會造成更大的傷害。但是你把它拿到儲能來使用的時候，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完全不一樣。我們目前有些測試，可以了解到電池的失效，尤其在熱失控的時候，事實上是會產生一些可燃氣體譬如氫氣，尤其在低氧的狀況下，也就是說如果環境不同，電池失效產生的危害也會不同。
另外一個案例我要分享的是我們幾年前做的一個18650老化研究。我們的方法很簡單，就是對樣品充放電后，在不同的圈數，不同的老化程度，來做熱箱的測試。電池在熱箱測試中一定會失效，當它是新的時候，或在100回，200回，300回的時候，失效模式都是氣體由泄氣閥噴出，這些都是設計出來的失效模式。但是四百回的時候，他的失效是整個炸開。我們了解在這個案例中是因為它老化之后，殼體有一些腐蝕的狀況，所以造成它殼體沒辦法承受這么高的壓力而產生了不同的失效模式。我分析這兩個案例，主要是讓大家有一個感覺，了解到我們在電池要開始梯次利用的時候，可能有些未知的問題必須要想辦法事先去了解。
接下來我就稍微介紹一下這個標準的草案，這個標準將來會成為美國與加拿大的國家標準。今天早些時候我和來所長討論了一下，我們都同意梯次利用的標準不容易設計。不同于一般產品標準，梯次利用最終的產品是多樣的，不一定是儲能，也可能會是其他的用途。不僅最終的來源不確定，它的電池來源也不確定，它的整個程序是除了產品本身外我們也必須要考慮的問題。這個標準的草案事實上挺長的，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，還有最后運送的過程，主要是把整個流程里面的幾個項目，透過標準來評估在梯次利用的過程之中，是不是所有必須包含的程序都能完成。最終的產品也還是必須要經由最終產品的標準來進行評估。
我大概稍微過一下這個標準的內容。搜集信息這邊，主要的目的是去了解到這個電池它原先的設計，它使用的歷史到底是什么，提供給將來在梯次利用的時候的應用端，去了解到這個電池的特性，也了解到使用過程中是不是有出過異常的問題，來進行篩選。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必須了解的。另外還要進行一些初步的檢測，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，還有記錄整個過程與標識。組件在拆解過程中就需要進行一些基本的測試，比如說它的電量，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。
接下來就是測試，電量相關測試，阻抗，絕緣，電芯的健康狀態，安全測試，還有一些儲存條件等等，這一段里面有很多會引用到其他的一些測試標準。銷毀這個部分，除了把在前一個步驟剔除掉的這些零部件銷毀，在這個標準中也要求了我們必須要對這些剔除的原因有一些記錄，也要有一個標準的程序。可用與不可用的零件這些也需要有一個分流，避免在制造組裝的時候混入了原來的流程里面。另外就是地方法規，每個國家每個地方有它不同的法規，怎么樣在銷毀的時候能夠符合地方的法規。
接下來到了組裝和測試，組裝就是怎么樣匹配模塊、電芯，我剛才提過，一開始這個電池設計的時候，它就不是讓你拆的。有些模塊不太容易再把它拆成電芯了，怎么樣對這些模塊來進行分析，看看它到底適不適合配合在一起，需要有一個比較詳盡的流程來管控。還有其他組件，譬如BMS，怎么樣組合到新的電池中。
下一個在這個標準里面提到的就是生產測試，在生產的時候怎么樣去控制這個功能的測試，絕緣電壓、耐壓，這些跟安全性相關等等的要求。針對操作人員在操作時候的安全性還有產品的安全性這一塊來看。最后就是運送，東西好了之后，標記很重要，梯次利用的產品就必須要有梯次利用的標記。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格是什么，怎么樣安裝，也是在標準中有定義的。另外就是包裝，怎么樣透過一個適合的包裝，讓這些電池在運送的時候不會受到傷害，如何避免短路等等。另外很重要的，就是依照地方運輸法規的規定。
我想大家在常常在談梯次利用的時候會很然地想到儲能。但是我想我們這里應該把梯次利用和儲能電池分成兩塊，因為儲能電池有儲能電池遇到的一些問題，梯次利用也有在過程中需要注意的安全問題。梯次利用應用到其他應用上時，我們也是要參照每個應用不同的安全標準的一些規范，在組裝完之后，根據最終應用的一些規范來進行測試，這是非常重要的。
以上大是我的報告，我這邊再多一頁與大家分享，就是歐美日儲能電池相關的標準。在美國主要是以UL為主，儲能用電池是UL1973。UL9540看的應用范圍比較大，看整個儲能系統，包括充電放電，怎么樣跟電網連接這塊。UL1989是針對鉛酸電池的標準。UL1778是針對UPS的標準。在歐洲標準方面，早期因為新標準還沒出臺，是以IEC 62133為主，今年初才發布了IEC 62619，來規范儲能電池。日本目前還是以JIS C8715-2這個標準為主。謝謝大家！
（根據發言整理，已經本人審閱）
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