鉅大LARGE | 點擊量：1098次 | 2021年12月06日
清華何向明：鋰離子電池五分鐘快充？不可能！
十一月二十三日，清華大學能源研究所何向明教授出席某會議，針對電池的一致性和安全性問題，發表了題為“鋰離子電池的一致性和安全性”的演講。
以下為演講實錄：
新能源汽車是我國的一個大勢所趨的發展方向，無論是儲能還是車上的電池都是非常重要的部件，近些年來我們開展了大量的研究工作，今天給大家帶來的就是這段時間我們對電池應用方面的思考。
我的報告分為兩個內容：一個是電池的一致性，另一個是電池的安全性。比如，韓國的Note7爆炸了，iPhone又鼓脹了，這到底是什么問題呢？下面我們就來分析一下。
一、電池的一致性問題
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1.串并聯引發電池一致性問題
首先，電池的一致性問題。過去手機電池都是單塊單塊地使用，但是大規模儲能和基站儲能都要很多的電池連在一起。以特斯拉作為一個典型的例子，大約是7000-10000塊小電池通過串并聯得到。這時，假如電池不一致就會發生很多問題。
第一，并聯情況。三塊電池并在一起，理想來說電流是平均分配給每個電池的，但實際情況下每個電池的電流并不一致，也有差異的特性。所以，電流不會平均分給每一個電池。早期電流是不相同的，但是由于三個電池的容量是相同的，早期的不相同到了最后要充滿的時候會發現，早期電流小的最后就會突然增大，這會影響電池的發熱，進而電池系統也會出現不一致的情況。
第二，串聯情況。串聯的情況更嚴重一些，不一致就會導致有些電流先到達充電電壓，假如不做控制就會出現過充過放，會對電池有損害并且造成安全性的問題，假如控制的話電池的容量就發揮不出來，最先到達電池的容量控制了整個系統的容量，這樣對電池系統容量的發揮也是非常不利的。
2.一致性串聯篩選的新方法
一致性是這個行業最大的問題，對此我們提出了用串聯充放電來進行一致性篩選的思路，具體怎么做呢？所有從廠出來的電池一致性做過篩選，然后把它進行串聯，串聯以后再進行充放電，這樣篩選一致性會有非常多的好處。
第一，只要選一個電壓就可以進行篩選，參數比較單一，而且簡便快捷。第二，串聯的電流絕對值相同，這樣就可以防止設備的誤差，因為所有通過電池的電流都是相同的，串聯充放電就是基于這樣一個思路。
我們提出的一致性串聯篩選方法具有簡單、快捷和有效的特點。因為這種方法下，每個電池的電流是絕對相同的，所以消除了設備誤差的一致性篩選的影響。另外，我們只用一個電壓指標就可以評判它的一致性，這樣的話比較容易進行統計和比較。
3.日本一致性最好，中、韓處于同一水平
我們選了市場上的五家典型的電池，兩家韓國廠商、一家日本廠商和兩家家國內廠商，通過這些電池進行一致性的篩選研究。我們把每家廠商的電池拿來進行稱重，發現國內廠商和國外廠商的在稱重誤差方面有差距。原因在于注進去的電解液的差異，這必然造成電池一致性的差異。
通過一些篩選結果和數據，最后我們看到日本的電池還是一致性各項指標都是最好的，第二和第三的是我國和韓國的公司，可以看出日本的電池還是高人一等的，國內和韓國的制造水平在一致性上是差不多的。
我們選擇了韓國的電池串聯循環，篩選以后發現循環性能很好，它的特性和單體電池的特性是基本相當的，證明這種篩選方法非常有效，并且非常簡單快捷，一個參數就可以把電池的一致性表現出來。
二、電池的安全性問題
鋰電的安全性全世界都很重視，很多機構制定了一些標準，這些標準都非常嚴格，即便許多產品也都可以通過這些標準，但它們中間還是有事故發生，所以通過標準的產品也不能保證其安全，這是在業內非常讓人頭疼的問題。
1.濫用安全性可預測
安全性到底是什么？
我們可以分成兩類：一種就是濫用安全性，目前我們的檢驗標準都是這種，包括電的過充、短路、加熱、火燒。濫用安全性是可以預測的，每個電池都是實用的，而且通過測試進行評估可以做到可控。
另一種是自引發安全性，無法通過測試預測，不了解什么時候著火，目前沒有任何方法可以完全消除。比如三里屯的車著火都很大，所有目前的手段都不能完全克服。
2.鋰離子電池安全隱患誘因：內短路
什么叫做化學內短路？就是有金屬異物跑到電池里面，充放電的過程當中正極會被氧化，切到負極還原以后就會長成一個金屬枝晶。
我們可以做個實驗來證明這個理論，就是在做電池的過程當中，正極撒上一些不銹鋼的粉，電池裝完了以后拆開，我們發現負極上有些黑點，分析這些負極黑點的金屬和正極不銹鋼的成分是非常一致的，所以證明這些不銹鋼粉撒在正極里面，通過充放電完全遷移到了負極。實踐當中我們發現銅、鐵和不銹鋼都很容易在電池里面出現，使電池出現內短路。
電池當中還有鋰枝晶的問題。所以必須把充電電流放得很低，常溫下也不能太高，一般來說對石墨負極正常設計的話，它的充電分水嶺是1攝氏度，超過1攝氏度都會有鋰電泄出。很多人開發了五分鐘充電、一分鐘充電，但是你都看不到產品，因為科學已經決定了超過1小時充電都會有問題。大家都希望快充，但科學上還要做很多的工作，現有的電池體系是不可能做到的。
另外隔膜瑕疵也很重要，假如中間有一個粉塵掉上去堵住了，充放電的過程當中鋰就過不去，會在周圍沉積，這樣就比較容易形成鋰枝晶。
3.安全性的風險控制：化學材料的改進
這些課題組應該怎么辦呢？我們挑了幾個重要目的出現安全事故的點然后進行分析。我們到廠去看有什么問題，包括設計、制造和管理要特別注意的點，后來我去了一個廠幾次以后它的事故率就大幅度降低了。
從我們得到的產品來看，通過化學的方法使內部的放熱量降低，包括一系列的措施，我們希望電池不發生熱失控，按照這個思路研發了一些新的化學材料，使電池比較穩定，最后進行短路實驗、過充電實驗、穿刺實驗等等，證明這個方法是安全可行的路徑。
我們認為，一致性串聯篩選方法可以簡單、快捷、有效地進行篩選，通過測試可以對目前鋰離子電池的隨機安全性進行評估。其中，日本的制造業確實比較好，他們的一致性、安全性都是最好的，目前我們國家和韓國基本處于相當的水平。通過化學的改進，鋰離子電池的安全性是可以被逐步攻克的，這是我們近幾年得出的結論。
責編：杉杉
