鉅大LARGE | 點擊量：657次 | 2022年11月10日
電池設(shè)計和制造技術(shù)取得了什么進展
9月9日，第二屆儲能電池技術(shù)發(fā)展方向研討會在京召開。
本次會議由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會與中國科學(xué)院電工研究所儲能技術(shù)研究組聯(lián)合主辦，北京好風(fēng)光儲能技術(shù)有限公司、浙江南都電源動力股份有限公司、中天儲能科技有限公司、長興太湖能谷科技有限公司及合肥博澳國興能源技術(shù)有限公司等單位聯(lián)合支持。
清華大學(xué)汽車工程系副教授教授李哲出席了本次會議，并發(fā)表了題為《電池設(shè)計與制造技術(shù)進展》的報告，以下為演講全文：
李哲：各位來賓、各位老師、各位企業(yè)界朋友大家下午好！我先簡單介紹一下我自己，我來自清華大學(xué)汽車系，我們團隊在新能源汽車上有這樣幾塊主要布局，圍繞新能源汽車動力系統(tǒng)開展了混合動力系統(tǒng)燃料電池，儲能和充電相關(guān)的系統(tǒng)研究，動力電池和他的系統(tǒng)團隊，我從事研究工作是電池的設(shè)計和制造，偏工程的這么一個話題。我們服務(wù)的對象也是國內(nèi)動力電池生產(chǎn)企業(yè)，動力電池生產(chǎn)設(shè)備的企業(yè)。
電池的性能到底是材料引起的，或者說主要的貢獻者是材料，還是說在工程上，系統(tǒng)上還有一些事情可以做。我們在大概十年之前接觸到一個國際上比較新的進展，這個實驗叫做單顆粒實驗，大家知道一般的充放電都是針對至少一個電池單體進行的，這個是日本有一位學(xué)者，通過一個機器探針進行實驗，通過單顆粒實驗他發(fā)現(xiàn)一個顆粒在120C下放電，容量保持還有80%。從120C到3C有兩個量級差別，有這樣基本感覺，電池的性能，材料固定重要，但是如何把好的材料構(gòu)成好的構(gòu)建，進而構(gòu)成好的系統(tǒng)依然很重要。為此我們做了一些定量化的對比。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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%
從材料革新對電池性能的影響角度，大概從鉛酸電池到現(xiàn)在鋰離子電池，過去這150年，大概從能量密度這個指標(biāo)來看，提高了3-5倍，這是非常大的一個進展，也是很多做電池材料研究的學(xué)者一直用的圖。如果保持材料不變，在工程上做一些事情，我們做的這個事情是在電極層次的微觀結(jié)構(gòu)層次一些優(yōu)化，比如說顆粒的大小，比如顆粒和材料隔膜，以及顆粒本身界面上做一些工作，以及孔系列的設(shè)計，包括非均勻的梯度化設(shè)計，對電池的倍率性能大概有多少影響，我們做的實驗，模擬上的也有實驗上的，通過電極微觀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，不改變?nèi)魏尾牧希瑢λ拇蟊堵史烹娔芰Υ蟾庞幸槐叮懊?50年5倍，現(xiàn)在我們大概半年時間做了一些實驗，大概2倍，我們覺得這個事情成本比較小，過程比較快，總體來講是一個優(yōu)上加優(yōu)的事情，值得做。所以我們把這個研究方向定義成了既有體系上做工程學(xué)的優(yōu)化設(shè)計。
在電池工程這么一個關(guān)鍵詞上分成了電池設(shè)計和制造兩個環(huán)節(jié)分別進行研究。電池工程研究前面講了，不是做新材料，我們不能做新的硅碳材料，如果好的電極，如何把好的電極構(gòu)成好的單品，是多大的，單個電池的容量。以及構(gòu)成系統(tǒng)，用在動力或者儲能的領(lǐng)域，這是我們研究開展的一個主要尺度，在后三個量級上。先看一下電池設(shè)計的工作，我們在電池設(shè)計上做了一個目標(biāo)分解，大家知道造出來一個好電池，問題很難回答，我們這個更多還是從車的角度來看，分成了四類，第一類在材料不變的情況下，搭配能量，熟悉電池設(shè)計的學(xué)者可能了解到，比能量比功率是此消彼漲的關(guān)系，整體往右上角移動。
第二個設(shè)計目標(biāo)是低溫升低溫差，主要要求做大以后產(chǎn)生的，咱們筆記本用的18650，大概能看到兩度左右的溫差。車上的電池，常見的扁扁的電池，1C條件下，最高有十幾度的溫差。這么大單體內(nèi)部溫差對他的壽命帶來非常大的影響，安全性帶來非常大的影響，造低溫升低溫差的單體，第二個設(shè)計目標(biāo)。第三個設(shè)計目標(biāo)是長壽命，第四個設(shè)計目標(biāo)車的使用有關(guān)，希望它耐撞，在這四個目標(biāo)分解下，針對每一個目標(biāo)要分別就電池相關(guān)的建模，而且因為針對設(shè)計而不是僅僅性能模擬，希望這個模擬越接近真實情況越好，這樣一些模型。
在電化學(xué)模型我們做了一個工作，基于真實的材料和結(jié)構(gòu)的電化學(xué)模型，大家如果用一些電池相關(guān)的工具可能就知道，很多這種仿真軟件中植入一些電池模擬的這些模塊，他們的一些模型主要是美國有一個教授開發(fā)了模型，這個模型已經(jīng)用了20多年，做性能模擬，輸出一些曲線，相對比較精確，設(shè)計有點不夠。它是實際物料可以選擇的狀態(tài)，正極要做復(fù)合，或者物理上的復(fù)合，負極要用一些新的碳材料，電池內(nèi)部很多分布，顆粒不一樣大，孔隙里有差異，不光關(guān)心這個離子傳輸，關(guān)心電子傳輸，另外可以還原工藝，事實上在模型建立過程中工藝最困難及，一旦有工藝上的進步，最終表達出來這是很困難。在顆粒表面包覆，新的化學(xué)物質(zhì)層對離子傳輸有什么影響，很多基礎(chǔ)工作要做。基于這樣款式電化學(xué)模型，做了一些應(yīng)用工作，一定程度上可以改變電池的比能量，比功率。很多不同的設(shè)計造成速度控制不同。
第二部分設(shè)計工作是擴大了一個層次，在單體這個層次，需要的模型是熱模型，為了建立一款精細的熱模型，高精度的熱模型，也要做很多技術(shù)工作，要把不同結(jié)構(gòu)，不同材料電池技術(shù)表示出來，是不是有很多導(dǎo)熱測量儀，在軟包結(jié)構(gòu)上來講，他的精度非常長。為此我設(shè)計了一些新的方法，市面上大部分結(jié)構(gòu)的系數(shù)。以鋁塑膜軟包來看，穿越面的方向是導(dǎo)熱強的物質(zhì)。除了導(dǎo)熱系數(shù)，還有容量標(biāo)定，所在的環(huán)境產(chǎn)生的化學(xué)系數(shù)標(biāo)定，熱模型準(zhǔn)不準(zhǔn)，看你預(yù)測溫度準(zhǔn)不準(zhǔn)，電池大了以后內(nèi)部溫度和表面溫度也有很大差別，怎么無損安全的把電池內(nèi)部各點溫度找出來，做了測量學(xué)的開發(fā)，最終我們是借助一款高精度的熱模型，設(shè)計了幾款電池的3S參數(shù)，這是我們對單體做的一些工作，設(shè)計目標(biāo)是低溫升低溫差。
老化的這個研究還不像電和熱這么好講，很難預(yù)測能跑八年還是跑十年，做了老化機理研究。重點是研究兩件事情，一個是衰減，如何通過原位的方法，實時的方法，把微量的衰減找出來，做了一些方法開發(fā)。另外一個關(guān)注的機理是跳水，到生命后期有一部分電池會出現(xiàn)容量的快速下降，把這個叫跳水，跳水之前有沒有征兆，能不能預(yù)測出來。跳水也是怎么找出一些有效的表征手段，左下角工作是我們合作者做的一些工作，他做的也很細致，研究他們之間的變化，這個也作為壽命預(yù)測的一些依據(jù)。
第四個關(guān)注的設(shè)計性嫩是耐撞性，這個工作不是我做的，是周青教授做的，他們課題組在電池包碰撞實驗上做了大量工作，今年有第一輪博士生畢業(yè)，有一些結(jié)論性的結(jié)果。給大家簡單分享一下，給了兩個耐撞性建議，在單位提出層次，耐撞主要相關(guān)部件是隔膜，長徑都在一個方向更容易發(fā)生短路。模組層次給了建議，每隔一段距離設(shè)計一個孔，或者是焊接一個特殊部件，或者是打一個孔，這樣能把這個單個方向的碰撞裂孔撕裂轉(zhuǎn)成另外一個方向，他這個思想借鑒于大家知道遠洋的貨輪耐撞問題，下面有很多倉，這些倉不要一撞到底，大家都進水就要沉了，中間截斷它。
我在電池設(shè)計上做了一些工作，主要服務(wù)于國內(nèi)電池廠的一些需求，一個實例我們把國內(nèi)電池廠在兩款電芯上做滾輥壓工藝優(yōu)化，如果這種中間密的兩邊疏的結(jié)構(gòu)變均勻了，或者倒過來，中間疏兩端密怎么樣，做了一些模擬，事實上證明如果把第一種方案改成第三種方案，中間疏松，從而很好的幫助企業(yè)把這款電芯從一般的擴展到一個快充的車廠。實現(xiàn)工藝也比較復(fù)雜，需要多重去公開。
國內(nèi)的一個電芯廠，純電動飛機裝配電池，這是一個通航的飛機，大概能飛3000米高空，2017年時候已經(jīng)首飛了，賣了幾十架。飛機上做改造越來越困難，車輛加速或者爬坡超車大概20秒就夠了，飛機不夠從地上升空到三千米，必須把電池在大SOC下的高倍率放電時間拉長，企業(yè)做了很多工作，一個事情有點困難，打不通，從電極設(shè)計角度，給一些設(shè)計意見，最后裝機了。
單體層次幫助國內(nèi)最主要電芯廠設(shè)計了十幾款電芯，有軟包的，有硬殼的，最小的25AH，最大的42AH，重新設(shè)計電池尺度比例，最大溫升降低4度，溫差降低2度，壽命提高兩成，對企業(yè)來講是性價比比較高的事情。這是我們一個方案，很多點，一個點就是一套設(shè)計方案，設(shè)計方案在最高溫度最大溫差上就是一個投影，從這張圖上很容易選出最好方案是什么。
我們做電池設(shè)計有一個硬件支撐，我們把它從硬件上造了一個電池設(shè)計工作站，有一部分還在繼續(xù)擴容，設(shè)計中心目前可以并行5-10。上面這個軟件我們也把它打包成一個自己軟件，叫KBF，沒造之前就知道，未造先知，對企業(yè)來說他們覺得有這樣一個用處，從整車廠來的訂單很散又很多，訂單與訂單之間要求產(chǎn)品形式都不同，很多工程師做新訂單要求產(chǎn)品試制，這些方案選留怎么做呢，做不同方案電芯，做實驗，哪個好用哪怕各個，這個過程一般幾個月。一百輛車一個訂單拿出來做，一百輛車對對應(yīng)的單體電池，大產(chǎn)能企業(yè)生產(chǎn)多久呢？兩個小時就造完了，兩個小時需要產(chǎn)品，拿到電芯廠設(shè)計三個月，效率太低，借助KBF這樣一種觀念，可以把做實驗的范圍縮小，并不能完全幫企業(yè)避免，但是可以讓他更有方向性。基于自有的知識產(chǎn)權(quán)平臺做軟件商業(yè)化應(yīng)用。
這樣一款KBF軟件有三個基本功能，第一個能夠提供基本的設(shè)計方案選優(yōu)，第二個是生產(chǎn)，企業(yè)有很多生產(chǎn)環(huán)節(jié)，20臺設(shè)備可能有100個生產(chǎn)參數(shù)，哪個生產(chǎn)參數(shù)對產(chǎn)品影響更大。第三個開發(fā)新工藝，甚至包括一些新的結(jié)構(gòu)，比如說固態(tài)，這個也可以通過單獨建模來完成。
上面是我們的一些工作，在設(shè)計上我們還關(guān)注到了學(xué)界新的進展，我放在第一的是陳老師課題組帶領(lǐng)在做的工作，就是漿料電池，這個事情很有意思，傳統(tǒng)的物質(zhì)和導(dǎo)電劑連接固化，低成本，在儲能上有非常的應(yīng)用前景，這里面有很多科學(xué)問題，非常大的一種挑戰(zhàn)。疊紙電池，電池做的很厚的場景。薄膜電池，他們做這種15微米的薄膜電池，薄膜電池進一步做柔性化設(shè)計。
在電池制造上也有一些工作，我們做的一些有趣的工作，一個是我們幫助企業(yè)做單機的工藝閉環(huán)，涂布是電池生產(chǎn)最重要環(huán)節(jié)，我們在其中增加了一些關(guān)鍵的紅色的是測量的點，藍色的是可以控制的，從而把整個的涂布從開環(huán)走向閉環(huán)。中小線主要是實驗線，在做一體化的中小線，如果想造一個新的固態(tài)電池產(chǎn)品，或者是單品，能不能通過兩三臺機器造出來。面向很新的結(jié)構(gòu)，比如固態(tài)，導(dǎo)致新的成型方法。通過冷凍的方法，讓冰晶特種出一個方向，構(gòu)成宏觀的一些隧道。注射的方法，注射軸在一個3D坐標(biāo)下面，按照這個程序去移動，這也是一種增材制造。電場的一些方法，加工過程中活性顆粒沿平心于EF方向排成離散列，大家可以看到從冷凍到注射到電場，關(guān)鍵詞是有序化，如果低成本實現(xiàn)有序化，是電器加工主要方向。這就是我在電池設(shè)計和制造商做的一些工作和觀察到的一些新的方法，這是我們的主要合作伙伴。謝謝大家。
陳永翀：說了一個關(guān)于材料和我們電池結(jié)構(gòu)不是一回事，可惜我們現(xiàn)在很多的儲能電池立項的時候，拘泥于我們的材料方面進行立項，材料非常重要，儲能電池技術(shù)，請問儲能電池技術(shù)包括哪方面，首先肯定是材料是基礎(chǔ)，不僅僅是材料。李老師今天報告里面說的電池技術(shù)里面兩大塊，一個是結(jié)構(gòu)技術(shù)，包括單體內(nèi)部結(jié)構(gòu)技術(shù)，以及外部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)，第二個是制造技術(shù)，我們說電池技術(shù)應(yīng)該包括六大塊，財來技術(shù)、結(jié)構(gòu)技術(shù)、制造技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)、再生技術(shù)、回收技術(shù)。所以學(xué)習(xí)體會，謝謝。
主持人劉丹丹：再次感謝李老師報告和陳老師給大家分享，李老師不能參加最后互動對話環(huán)節(jié)，現(xiàn)在有幾分鐘時間，大家有問題可以跟李老師提問。
提問：李老師，我想問一下，各個廠家對于電芯的規(guī)格型號都明確規(guī)定，我想了解一下您研究的結(jié)果對電芯在容量范圍有沒有一個指導(dǎo)性的意見。
李哲：剛才給大家看了很多圖，這個圖是干什么的不呢？這個圖橫軸是最高溫度，縱軸是最大溫差。從整車廠的角度，對于整個電池包的最高溫升和最大溫差提一個要求，從溫差角度來看，目前的水平大概在5度，整車廠2度。在這個圖中，一旦你給出一個邊界，他會框到一部分設(shè)計方案，另一部分自動排除了，所以一個最大的特點是倍率越大，內(nèi)部溫差越大，容量越大，內(nèi)部溫差越大，這種不可避免，按照我們的經(jīng)驗，目前的電池制造工藝10-50安時的單體電芯最適用于做動力電池，如果儲能的話放大，因為它的平均工作倍率會低一些，10-50AH，應(yīng)該會有差別，在三元體系上。
