【领域专家访谈】清华大学冯旭宁：专注电池安全研究，探索解决工程化中的问题
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博士，清华大学欧阳明高院士新能源动力系统研究团队骨干成员，清华大学车辆学院电池安全实验室主任，长期从事储能电池系统“热安全特性、建模与管理”方面的应用基础研究，为车用储能电池安全应用提供了可定量测试、可定量模拟、可准确防控的技术解决方案，是近年来电池安全领域具有国际影响力的青年专家。
深水科技咨询：动力电池安全问题其实涉及到多个领域的交叉，目前很多做电池安全分析的是来自于做锂电池的材料、催化、机理研究等领域，而您是来自于清华汽车动力方向，您觉得和做锂电材料、机理研究的研究者们分析问题的区别有哪些？另外需要具备哪些知识，才能更好地深入这一行？
冯老师：我个人没有感觉很多做电池安全分析的是来自于电池材料，催化和机理的研究领域，我们的很多同行来自工程热物理与能源利用方向。它在热科学领域，跟安全工程是结合很紧密的，比如说平时看到的消防灭火，比如我们学院在做的发动机燃烧，都是我们本来的行业需要做的事情。我们看电池安全问题可能是视角上有区别，我们这边视角主要在于锂电池是怎么造成危害的，从它的需求端开始往机理层层深入，也叫“需求牵引的研究”，背后的科学问题是基于我们工科思维方式，从工程问题中提炼出来的。
做安全性分析从材料、机理研究方面，一般是从科学问题开始研究，然后去寻找应用场景，这两个研究思路是相反的，具有本质上的区别。从工程问题去提炼科学问题，相当于我们是工科是Engineering Science。而做机理研究直接叫Science。所以一方面是理科视角做电池安全研究，一方面是工科视角做电池安全研究。工科视角主要以应用为导向，去寻找应用技术背后的一些科学问题，我们是这个思路。
我理解大家想问这个问题可能是因为这种情况，比如说你做了一个新的材料或者新的电池你觉得很安全，结果在应用的时候出了问题，老师们可能十几年的工作都白忙活了，这种情况很多时候也比较令人上火。这样的话，我们希望能不能一开始就知道这个电池能不能用。但需要反过来推一个视角，从需求端开始往回推。另外，可能比较重要的点是要避免从论文到论文开展研究，要从实际的工程经验中，跟企业的交流中去寻找研究点。
我们团队以热科学研究为主，我们做热力学、传热学、燃烧学、安全工程等跟热相关的研究和开发，这是我们的老本行。电池造成灾害一部分原因是热的问题，跟我们研究背景相近。当然安全问题包含方方面面，我们现在以热研究为核心，电池安全问题先由失效引发，失效之后才是热失控。失效这个领域就包括很多了，可以是电化学系统失效，因为寿命衰减导致的失效，也可以是因为机械挤压造成失效，最后才是造成燃烧、着火、热失控，热失控不是电池失效唯一的问题。所以如果做电池安全，我们也分很多方向，有智能监控方向、光线传感器、参比电极、自修复极片等，这些也是属于电池安全的研究方向。现在的测试评价手段其实越来越多，比如如何做热失控、燃烧评价等等。这些评价手段也都是可以在电池研发过程中早点去做的。我们也有一些关于化学反应时序调控的一套方法，逐渐大家就会了解它不应该成为一个做新体系电池的“卡脖子”环节，未来很快会有比较好的理论性计算、模拟的方法。
另外，我们要有一个客观的认识，当前追求的高比能是伴随着安全问题的，锂电池相当于把强的氧化剂和还原剂放在在这么小的空间内，是极容易发生热失控的。所以，追求高比能和追求高安全总归是矛盾的，现在我们的工作是在这种矛盾之中寻找平衡点，让它们在空间和时间上有一些错位，使得化学反应不要这么剧烈。所以，我们的文章一般是写“减轻”热失控危害，而不是完全抑制热失控，也就是控制热失控在大家使用时能接受的范围内。电池这么多特性，我们团队也只是在其中一个方面的研究比较深入，其他方面还得去跟同行多做学习。
深水科技咨询：现在做动力电池基本都有电池组热失控蔓延的控制方法，评估目前对于电池组失控蔓延您觉得最行之有效或者说最好的方法是什么？
冯老师：从标准来讲，我们做这个热失控蔓延测试的同行应该都很自豪的。因为我们是从国际法规里面先把它立住，然后国内推广。最早的时候是工信部陈春梅处长、肖成伟主任、王芳博士，他们带着国内的宁德、比亚迪、一汽、中汽研等多家企业及研究单位去国际上把电池热失控蔓延的测试标准争取下来。大家觉得尽管单体电池经历了很复杂的安全评价，但抑制热失控危害最有效的方法其实是在标准里要求电池组的强制触发实验，强制触发后，在5分钟甚至30分钟或者更长时间内不出现明火，人员就有足够时间逃生。
但是，世界汽车组织(OICA)认为，这种实验成本比较大，对汽车厂和产品商都不太友好。另外，日本和韩国以三元电池为主，这个实验不容易通过，所以一开始定这个标准是很困难的。但是，经过中方团队的努力，现在我们成功地把热失控蔓延立项成了国际标准，在WTO框架下对应成国内的强制标准。标准定了之后，所有产品都遵循这个标准，这意味着我们的消费者乘坐的电动汽车在极端情况下，如碰撞、泡水等导致的单体触发，整体火势也不会很快蔓延，人员能有足够的时间逃生。所以你看，现在电动车着火很少有人员伤亡。其他如储能电站，一旦燃烧可能整个楼跟着燃烧，电动自行车半夜在家充电都很容易造成人员伤亡，但是电动汽车这种情况是很罕见的。这是因为问题出现之后，能够保证人车分离，而且在热失控扩散标准保障下，逃生时间至少有5分钟，哪怕对于大型客车存在车门堵塞的情况，5分钟也足够近100人逃生。以上就是从标准出发，先把问题底线守住，后面我们再去找哪种具体的技术方式能够实现不扩散的效果。
对于磷酸铁锂（LFP）电池，其单体热失控造成的温度梯度和扩散的驱动力不是很大，所以不需要采用隔热方式。但是，LFP电池的电解液比其他电池可能要多一点，因此更多的是让其电解液尽量不要发生燃烧，所以LFP电池的问题比较容易解决。电动汽车的电池基本是平铺式的，底盘上是一个大平板的平铺状态，所以如果有一节电池电解液泄漏了之后会朝上喷，也就是这节电池的上面是没有其他电池的，没有上层电池被电解液点燃的顾虑，所以LFP电池的热扩散是比较容易控制的。当然LFP电池也不是说完全没有热扩散的风险。在集装箱式的储能系统里LFP电池是叠摞起来的，这时候LFP电池热扩散就会有新的问题，目前也没有很好的解决方式。
再者，讲一下动力三元（NCM）电池热失控蔓延的控制。一开始我们做NCM311，当时和宝马合作。NCM311失控后的火势很猛，最高温度可以到800~900℃，不比NCM523和NCM622低，热扩散的解决方法就是在电池和电池之间加一种隔热层。针对NCM311电池用1毫米的玻璃纤维隔热层就可以阻隔开标准化电池模组的热失控。但是，后面我们发现NCM523和NCM622的热扩散和NCM11差不多，从原理上都是变价导致的化学反应，所以1毫米的隔热层仍能满足需要。
到了单体电池能量密度达到了270Wh/Kg，体系变成了NCM811作正极，这时候玻璃纤维的隔热层不再能满足抑制热扩散的需求了。一方面因为NCM811的热失控温度更高，热扩散的驱动力更强。另一方面，它的释氧温度又比较低，它扩散的“堤坝”，也就是电芯本质的隔热能力不强。所以，原来的隔热层已经不再适用。大家这时候又提出加隔热涂料，这个涂料是五花八门的，有的是加阻燃剂，就是在隔热纤维里填充一些阻燃剂，有的是加一些相变材料，叠加一些吸热的功能是比较有效的，当然吸热材料也可以涂在电池组的上顶板上。
当NCM523热失控做多了之后，我们发现热失控与电池着火之间有一定的内在联系，着火发生时并不一定是电池着火，更可能的是电池喷出来的可燃气的着火。所以后来，十三五重点研发计划中NCM811体系的热失控研究，力神、国轩等都做了很多相关工作。箱体内的空气不足，烟气烧不起来，但是一般从排气阀出来以后就开始喷火，对于热失控蔓延一旦出现喷火，实验就失败了。如何不让排出的烟气在排气阀这喷火呢，就需要降低烟气的温度，所以就又在箱体里多了一个蛇形流道，加长了烟气排出去之前的过程，这样得到降温的烟气就不会在排气阀处喷火，最多就是冒烟。
随着电池容量的提升，现在已经到了NCM811和硅碳这样的体系，即使加了烟气流道之后还是不行。所以，我们又开始研究烟气一经排出就在喷气口燃烧的原因。通过检测烟气的混合物，发现里面除了二氧化碳，还有甲烷、一氧化碳、氢气等组分，这些气体的自燃点是清楚的，在500~550℃之间。新体系的电池内部温度更高了，连带烟气温度超过了这个自燃点，所以自烟道排出箱体之后碰到空气就会自燃。这种情况就需要继续增强降温措施，比如烟气流道在箱体中多绕几圈。现在电池系统为了实现快充等功能要做到600~800V的高压，又出现了新的问题，这种高压会导致系统内容易出现电弧现象，就是电池连接片之间有高压电弧，这种高压电弧会击穿箱体，烟气就不会按照原有的设计流道排出，而是通过电弧打穿的这个点出来。所以，烟气排出来还是会着火，只要打穿一个洞，可能在洞这里立马就炸了。所以，除了之前的哪些做法之外，还要防电弧。防电弧也是比较容易的，通过在系统里避免100V以上的高电压出现，就是使用电器的拓扑结构重新排列就不会产生电弧了。这些方法都是企业在用的，比如长城的大禹电池，广汽的弹夹电池都是一种分仓隔热设计，基本是从这些理论一脉相承出来的。另外，可能有些国外厂家也用一些相变涂层，能很好地通过法规和标准，当然可能我们没办法知道是什么。还有比如特斯拉的方法，是把热失控的单体电池炸烂，不采用各种补救叠加的技术，也有抑制热失控扩散的效果。
总结下来，未来如果还要做更高能量密度或者更高电压，出现其他问题，我们再一步一步解决。对于当前10年的技术发展，最核心的还是要基于人员保护的基本要求，先制定安全标准，然后用技术去逐渐达到标准。这是一个渐变的过程，技术逐渐叠加积累起来，尤其是热失控蔓延抑制技术。我比较幸运能够跟着欧阳老师、何向明老师选这个方向做博士课题，也能在当时跟着中汽研王芳博士，十八所的肖成伟主任在法规制定过程中参与学习，设计实验，分析数据，准备材料。我们团队从宝马项目开始，后面做了戴姆勒的项目、宁德时代的项目、日产的项目，一步步地与行业一起进步。以前总是说中国汽车落后，现在不一样了，中国的动力电池安全设计水平已经是世界最好的了。
深水科技咨询：您负责了的很多横向项目，与宝马汽车、宁德时代、与万向123等都有过合作，您觉得在为企业解决“解决电池安全问题”的事情上，年轻学术工作者如何走向企业，同时企业更加注重什么，对您做研究有什么重要的启发？
冯老师：对于我自己来讲，我最初是想去企业发展的，因为我觉得自己更适合在企业里做研发，做实际有用的东西。自认为基于科学原理解决工程技术问题的这个能力还是比较强的。所以，刚进入课题组我就主动要求做横向项目，希望能跟着企业去做项目。在和企业做项目时候，刚好也赶上2010年前后，清华在鼓励学生做科学研究要多写论文。一方面是我主动要求做横向项目，想去给社会创造价值，另一方面是清华也在鼓励学生从工程问题中提炼科学问题，两方面结合构成了我博士课题研究的主要指导思想。但这种模式也是非常累人的，每天要分成4-5个时间段来工作，每天工作12个小时或更长，来保证项目与科研都能够按期推进。
现在我们课题组已经形成研究生必须要去做一个横向项目，也就是既要做自己的学问也要干社会工作，训练学生在横向项目与纵向项目之间做一个有机的结合，这形成了一个我们欧阳老师课题组一种主流的人才培养模式。
不过，虽然横向项目有很多显现实需求在里面，它也涉及大量的重复性工作。是否要做，也得看个人喜好，因为它确实会占用很多做科研的时间。在国外留学的时候，我也见到国外一流高校的一些博士生过得非常潇洒，只研究科学问题就行了，论文发得很好，还有大把的时间可以用于生活和娱乐。另外，这个模式可能只适合于工科学生的培养，不适用于理科。理科方向可能还是需要在一个点上做的更深入一些，解决大家都解决不了的科学难题。只有在一个点上不断地深入，才能完成国家所倡导的面向世界科技前沿的要求，而我们工科则更主要地是面向国民经济主战场，参与国际顶尖技术的竞争。
深水科技咨询：对于想就业的学生还是不错选择。
冯老师：的确，如果学生一开始不是想读博，他就是想就业，那就更应该去多跟老师沟通，去承担一些横向项目，同时导师应该也会比较支持。要充分考虑学生将来的就业期望。
深水科技咨询：与企业打交道的时候，企业的思维模式是什么样的呢？更加注重的方向是什么？
冯老师：企业也是分不同层次，有的时候项目需要你去快速解决问题，这种情况会签订类似于一至三个月完成期的合同，期间内需要用团队的算法及方法去尽快解决实际项目里的问题。有一些企业研究院的项目，主要是查文献和写文献综述。也有如奔驰、宝马等的研究院需要你的一些想法或者帮他们去实践一个方法，做一个样机之类的，但是并不需要真正地把实际产品做出来。还有一些是工程类的项目，工程类的项目就需要把产品做出来，一切跟着产品走。所以横向是分不同类型的。
深水科技咨询：与企业的合作对今后的科研有什么重要启发？是否更加坚定了走工程化的思路？
冯老师：也不完全是工程化思路，与企业合作最大的收获是觉得自己做的东西始终还是挺有用的。我们发表的文章下载的不仅是高校，企业工程师下载的文章量也是很大的。
深水科技咨询：专利的话是企业合作类型还是个人研究型？企业是否愿意购买专利或者进行转移转化？
冯老师：专利的话，我们整个团队目前已经专利转化了3000多万，孵化了30多家企业。专利转化主要涉及定价问题，目前高校和企业谈专利定价还是没有一个完美的机制，总是达不成一致，都觉得自己吃亏了。因此我们也在思考，专利如何进行一个更好的转化。我们见到过有的很知名的企业，他们自主转化新技术的能力很强，可能员工去听听学术报告，回去自己就申请专利，把产品更新了，然后跟领导交差拿奖金。我们更希望的是国内自主品牌的企业能够实际运用到了我们研发的技术原型，只要咱自己的企业能够得到启发，这就够了。至于企业认为原始创新是谁做的，承不承认知识产权，这是一个三观问题，形成了之后再改变的可能性也不大。现在新能源行业变化速度很快，可能半年一变样，但是专利转化手续如果走两到三年，等到转化手续走完，新的技术可能也已经更新换代了。
深水科技咨询：2022年初您入选2021 MIT中国区TR35也就是“35岁以下科技创新35人”2021年中国区入选者，也表明您在储能电池系统热失效防护技术的国际认可度，您觉得目前在储能电池系统安全这一块与新能源动力电池安全在做事故分析调查以及进行模拟分析的时候有什么不同吗？
冯老师：这一块我们一直在投入精力去做，也希望相关的技术能够更快速的帮助得出事故的真实原因。不过，我们是不希望有事故的发生的。事故分析的宗旨是找到事故的原因，然后在标准里面去更新之后不要再出现类似事故。如果去做事故现场分析的话，储能和动力电池主要还是工作量的区别。做事故分析一方面是评价灾害的后果，这个其实现场消防已经有一个结果了。储能系统大一点，电动汽车系统小一点，电动自行车更小一点，那么最终造成的灾害损失是大家最关注的一个问题：造成的人员伤亡是多少？经济损失是多少？爆炸和起火的时刻，引发的条件是什么？对于动力电池可能引燃的是内饰及周边可燃物。储能系统元件比较多，燃烧的可能是房屋，消防的事故调查可能更专业，应急管理部消防救援局最新出了一本火灾调查与处理的高级技术手册，里面已经有对新能源汽车、储能电站、电动自行车的比较好的灾害分析流程和方法了，电池事故的章节用了一些我们团队论文里的图片，我们也正在学习具体的思路。
事故调查都是需要包括起因、发生和结果这三部分的调查内容，调查最早发生热失控的原因，后来怎么逐渐扩散的，最终造成怎么样的灾害，研究事故与人之间的关系、跟财物之间的关系。在分析事故怎么发生扩散的时候，对于动力电池就是刚才说的平面堆叠，烟气也是平面流动的，那么分析过程就是二维的；但是对于储能电池系统来讲，事故是一个三维扩散过程，这就稍微复杂一点。有时候电站特别大的时候，会超出计算机或仿真软件的运算能力。电动汽车的事故仿真，常见的工作站都可以算，基本比较成熟了。
深水科技咨询：除了模拟运算量差别之外，储能系统是否因为更复杂所以难以查找到事故原因？
冯老师：我们现在说造成起火的原因，主要是要尽快找到第一节失效的电池。如果第一个电池找得不对的话工作就基本是白做了，因为电池燃烧之后的性质五花八门，所以需要尽快通过现场痕迹找到第一节失效的电池。一般地，通过监控数据分析，通过监控数据报警信号，可以最快地找到第一节失控电池。
深水科技咨询：那您有碰到过没有这种数据记录的吗？
冯老师：大红门那个事故就没有，只能通过目击证词锁定到大概几层模组，然后拆了500多节电池，一节节地排除，找到第一节电池。因为储能电池数量多，有纵向的扩散过程，所以现场火痕、电器的失效都是重要的分析依据，也可能带来错误的信息导向。新能源汽车目前基本都有监控数据，也有国家的监控平台，找第一节失效电池一般不太麻烦。再深入分析就是第一节电池为什么失效，对于储能和动力电池就很相似，通过事故数据分析是机、电、热、化哪个诱发因素。
深水科技咨询：现在对于储能电站监控数据有没有统一的云平台建设计划？
冯老师：现在中电联正在牵头做，我们做一个辅助。这里大概有数据的传输要求、电站建设要求以及监控数据要求三个部分，预计年底应该能做出来。另外，云平台其实不需要这么大量的数据，云端数据更多的是检测电站是否在运行，运行的情况如何。电站侧的数据需要进行可靠的存储，需要时才进行调用，也可以进行电站安全状态的边缘计算。存储可以是覆盖式的，一个周期大概是30天。
最后补充一点，就是对于模拟分析来说，我们认为更难的地方还是怎么去找边界条件和物理条件建方程，有的失效过程是化学反应、喷发流动和燃烧耦合的过程，每耦合一个新因素都要新建立一个方程。我们在电池安全领域的成就，和我们掌握的几个核心模拟方程式有关。2013~2016年是第一代模型，2016~2019年是第二代方程，把变热物性给耦合出来了。2019年~2022年我们又有一个新突破，把反应和流动耦合在一起。每三年升级一个版本，更贴近于电池实际的破坏的情况。方程其实也不是特别复杂，关键是得找对参数和运算的数学模型，最后还能与实验结果匹配。计算模拟也有很多人在做，国际上就是华威大学火灾实验室，他们新出的火灾分析模型我们也在学习。
深水科技咨询：您觉得我国在电池安全技术上在国际上是否是最前列，中国的研究思路与国外的研究思路有无较大的差距？
冯老师：一般我们不评价自己的研究到了一个什么水平，做研究的成就感也不在这块。美国在电池安全研究方面发展比较早，2000年左右就有A123、特斯拉这些新能源企业，产业基础条件比较好，文献发表早。另外，他们一直比较重视基础研究，在2012年之前大部分的相关文章主要还是美国和加拿大的，国内是中科大和清华有少量的一些研究文章。现在再做对比，他们的文章量跟我们没法比，可能只有我们国家的十分之一，主要是因为他们整体行业没有最终建立起来。可以说美国其实还没有电池行业，相关的应用研究跟不上也是很正常的。
就研究思路的先进性来说，我们是在发展中逐渐发现新的问题。以前好多是基于文献去开展研究，现在是在应用的过程中根据新的需求去解决问题，所以逐渐超过了欧美国家对于电池安全问题的认识。研究思路我们是两方向开展，一方面是在需求端提炼科学问题，另一方面像热失控这个科学问题在持续深入挖掘。
对于电池热失控问题，从国外近期发表的文献来看，可能他们还没有认识到电池热失控和后面造成灾害的深层次联系。这个过程涉及的一些物理和化学的过程其实能解耦，但国外的研究还没有搞清楚内短路、热失控、燃烧这三者之间的关系。主要可能还是缺少电池产业支撑，导致无法像我们国内做这么细致的，比如根据事故样本去分析原因。但是我们也还缺少一些高端的研究条件，国外有我们没有的，比如美国阿贡国家实验室的加速器，他们可以基于加速器直接开展机理研究，而我们做电池安全研究在国内找加速器资源还是比较困难的。
国际上有预约机制，我们国内好像还不太成熟，资源也比较紧张。对于一些原位观测的现象，至今我们也没能找到资源像预约实验这么简单，所以有些原子尺度的现象我们研究能力还不足，这些差距我们也得认识到。总结起来，就是国外目前在思路上已经远不如我们活跃了，在解决实际需求的这个思路上已经远低于我们，但是他们的基础科学研究能力还是比我们强。
深水科技咨询：最后，想问一下您团队的重点研发计划？以及团队在科研成果进行产业化有哪些工作和计划呢？
冯老师：去年和今年跟电池相关的项目，很多都要求测热失控性能，也要求达到本征安全的一些指标，我们团队尽我们的所能为行业提供一些项目的支撑。我们欧阳老师有一个四川新能源汽车创新中心，也是他的院士工作站，主要依托这个工作站去孵化电池相关的企业。如果我们能够形成一个较好的一个成果的话，就会有一个创业的团队做这个产业化的工作，也就是企业孵化，在企业里面主要是我们自己培养的学生。
深水科技咨询：那您这边有没有直接向企业进行转化？
冯老师：虽然有很多企业希望我们去做这个事情，但是企业转化还是刚才说的，如果通过专利转化的话可能两三年才能做完，我们目前更倾向于通过开展横向项目合作的形式来披露技术细节。
深水科技咨询：您和哪些企业有过合作项目，研究的重点方向是什么？
冯老师：我现在负责两个小组，一个深入做热失控机理研究，另外一个做大型系统的安全防护。电池热失控方向，基于我们的模型化技术开发能力，和国内很多整车厂商都有实际合作项目，比如北汽、哪吒汽车、广汽、长安等。还有一部分是纯热失控机理方向，比如做电解液配方对电池安全的性能进行改善，基于某个热失控的机理，添加一些添加剂的同时少影响其他的功能，目前已经向很多电芯厂送样了，都在试用。
《钠离子电池技术发展与产业前景研究报告》
《中国高能量高功率锂离子电池负极材料技术发展与市场投资规划报告》
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