廖伯彥：電池組電池設(shè)計(jì)和性能的電池參數(shù)的理解
5月24日，CIBF2018 第十三屆中國國際電池技術(shù)交流會(huì)展覽會(huì)在深圳會(huì)展中心開幕。美國愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室、清潔能源和運(yùn)輸部、儲(chǔ)能和先進(jìn)車輛部門經(jīng)理廖伯彥博士在技術(shù)交流會(huì)上發(fā)表主題演講。以下是演講正文：
今天我會(huì)和大家聊一下電池組、電池性能設(shè)計(jì)方面的問題。我們和很多的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合作，說一下這個(gè)路線圖，說一下實(shí)驗(yàn)室所在的位置，以及現(xiàn)在的情況。這是俄勒岡鋼軸在西部、東部、南部，我們有瑞華大州和猶他州。這是美國的西北部，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室有一個(gè)白色的圈。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室非常的大，有900多英里，將近2400平方公里，是一個(gè)很大的國家實(shí)驗(yàn)室。主要的工作是核能的發(fā)電，我們這些核能發(fā)電的反應(yīng)爐的設(shè)計(jì)核材料的開發(fā)，怎么去提煉，還有很多有關(guān)的生態(tài)保護(hù)，還有很多其他的工作都是在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。
我們是一個(gè)比較小的單位，主要是看核能發(fā)電和電網(wǎng)的銜接以后，所有再生能源的使用跟電動(dòng)車使用，儲(chǔ)能的使用，對整個(gè)電網(wǎng)的關(guān)系，我們做相當(dāng)深度的開發(fā)。在我的實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中，其實(shí)我們的工作范圍比較廣，從根本的方法的了解，從能源到電網(wǎng)，一切都是在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室完成，和其他的實(shí)驗(yàn)室相比，阿貢實(shí)驗(yàn)室，這些實(shí)驗(yàn)室更多的是科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，而我們是聚焦在非常廣泛的程度，我們主要是應(yīng)用在科研方面，并不是單一的方面。阿公實(shí)驗(yàn)室和其他的實(shí)驗(yàn)室的范圍就比較小一些。
我們現(xiàn)在要推動(dòng)技術(shù)的轉(zhuǎn)讓，從材料科學(xué)到整個(gè)系統(tǒng)，在技術(shù)的轉(zhuǎn)移方面，在銜接方面，技術(shù)的瓶頸是我們想知道的最重要的研究方向。這里涉及到交通，還有能源儲(chǔ)存，我們現(xiàn)在電池的技術(shù)，快充技術(shù)，還有特別快速，超快速的充電，充電性能的情況（PPT）。基礎(chǔ)設(shè)施，充電樁，充電設(shè)備，還有成本方面的問題，還有材料科學(xué)方面等等各個(gè)方面的問題。包括固態(tài)電池技術(shù)，還包括高溫的燃料電池，還有反應(yīng)堆，我們還有生物燃料等等，范圍是非常廣。在電池方面，我們涉及到電池的診斷和電池的以后情況，簡單的情況可以通過測試可以看到，我們可以理解電池發(fā)展當(dāng)中存在什么樣的瓶頸，我們有三個(gè)實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)是BLESS，能源系統(tǒng)儲(chǔ)備評估實(shí)驗(yàn)室，另一個(gè)是非破壞性的電池實(shí)驗(yàn)室，用于評估的，稱之為NOBLE，還有一個(gè)電動(dòng)汽車架構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室。我們有無線充電，包括合網(wǎng)并網(wǎng)的整體性，涉及到非常多。
我們有非常強(qiáng)勁的合作伙伴和USABC，美國能源不下面的，我們還有很多的主機(jī)廠，跟它們進(jìn)行合作，我們還有電動(dòng)汽車的服務(wù)設(shè)備的提供商和研發(fā)上。我覺得這個(gè)方面我們的合作伙伴非常的多，我們還有和特斯拉進(jìn)行合作。同時(shí)，我們勢能下一步新的低成本的耐用性、安全、可靠的電池，還有搭建車的平臺，以及燃料的基礎(chǔ)設(shè)施。
傳統(tǒng)上我們做電池，從材料開始，從材料做正向的電池設(shè)計(jì)，一直到整個(gè)成品，到電池的組裝做測試以后來了解到底這個(gè)電池的設(shè)計(jì)好不好，這是一般我們做電池的方法。在這種應(yīng)用當(dāng)中，我們有正向的設(shè)計(jì)，當(dāng)電池出現(xiàn)問題的時(shí)候，出現(xiàn)故障的時(shí)候我們不知道怎么去追訴它。在研發(fā)的每一步可能都會(huì)出現(xiàn)問題，比如說在軟包電池，材料、制造、模塊、電池包、整合、控制，包括BMS，整個(gè)電源管理系統(tǒng)，在整個(gè)供應(yīng)鏈系統(tǒng)當(dāng)中實(shí)際上都有問題，我們要解決的。在微觀甚至到宏觀的測量，到整個(gè)電池的系統(tǒng)表現(xiàn)，中間出問題的，這個(gè)問題在哪里，一般怎么解決，這個(gè)問題一般在產(chǎn)業(yè)里面是不會(huì)注意到的，在實(shí)驗(yàn)室里面這是我們工作的重點(diǎn)。我們的工作重點(diǎn)是反過來做，從系統(tǒng)的測量分析里面去了解到底現(xiàn)在電池的成品需要改進(jìn)的方針在哪邊。由這個(gè)失效機(jī)制，失效的模型跟它的效應(yīng)做反推的工作，了解失效的原因是什么，技術(shù)上的瓶頸在那里。
我們的工作從電池500到快充，一直到整個(gè)成品的設(shè)計(jì)，測試，在USABC里面的工作，我們把這些信息都能夠連接在一起去了解整個(gè)電池系統(tǒng)的問題到底是在哪里，有多少問題是因?yàn)殡姵氐目刂疲卸嗌賳栴}是因?yàn)殡姵氐氖褂茫卸嗌賳栴}是電池的設(shè)計(jì)，有多少問題是電池的制造，還有多少問題是電池材料本身的問題。這個(gè)都必須要做有系統(tǒng)的分析以后，我們才知道這個(gè)電池，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的瓶頸到底是什么樣的問題。
所以，我們對電池的看法是反過來看的，我們要看的是到底他的不同點(diǎn)在哪里，我們做模型要了解的是我們怎么去了解電池的變化，不是你當(dāng)初設(shè)計(jì)的時(shí)候想要看到的。我們做分析是想知道這些超于常態(tài)的分布是怎么來的，怎么去控制它。我們要知道的是機(jī)理上的了解，不是做實(shí)驗(yàn)對應(yīng)得到的結(jié)果。因?yàn)槟悴粫缘媚愕臏?zhǔn)度跟精度到底在哪里產(chǎn)生了問題，所以我們要知道是由精度跟準(zhǔn)度的控制，去了解在什么狀況下這個(gè)表現(xiàn)是異常的，由這個(gè)表現(xiàn)異常才了解這個(gè)問題到底出在哪里。
所以，我想我們做這個(gè)應(yīng)用科學(xué)的方法在傳統(tǒng)上跟大家是有很大的差異。怎么去看這個(gè)問題？以電池500的題目來看，這兩天也聽到曉青老師，張繼光的演說，講到電解質(zhì)里面電池的設(shè)計(jì)上的關(guān)鍵性的問題。但是他們只告訴你正向的，設(shè)計(jì)上的一些問題的解決方案，但是沒有辦法告訴你這個(gè)電池如果做不到500瓦時(shí)/公斤，到底問題在哪里？是電解質(zhì)的問題？是正極的問題？是負(fù)極的問題？是設(shè)計(jì)的問題？是控制的問題？這個(gè)問題他并沒有辦法回答你。在我們實(shí)驗(yàn)室是反過來做的，根據(jù)他們的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)他們給我們的電池，我們做測量以后，再把測量的數(shù)據(jù)做正確的分析以后回饋給他們，告訴你到底是電解質(zhì)不好，是正極的材料損失產(chǎn)生的差異，或者是在很多負(fù)極還有其他組裝上沒有得到500瓦時(shí)/公斤的要求。
我們在做很多這方面的分析的時(shí)候，我們分析的角度和看法實(shí)際上是相當(dāng)有差異的。比如說我們做這個(gè)電池的模型，我們的模型看的不是我們現(xiàn)在測的跟我算的對不對，我看的是我算的跟做的不對的時(shí)候到底是哪邊出問題。我們做這個(gè)模型，右下角的模型（PPT），我們看的是電流的分布，沒有意識看電流分布跟我們測的到底對不對，而是說由電流的分布看到底什么時(shí)候在快充的時(shí)候會(huì)西歷（諧音），會(huì)產(chǎn)生質(zhì)晶，什么樣的狀況下可以做正確的判斷，如果這個(gè)電池沒有辦法做常態(tài)的表現(xiàn)，是什么東西出了問題。
長質(zhì)晶不一定是材料問題，可能是控制的問題，可能是設(shè)計(jì)精度的問題，在制造電池的時(shí)候的控制問題，有很多問題沒有辦法了解，也就不知道怎么解決。我們通過做模型的方法幫助我們了解。左邊這個(gè)圖很簡單（PPT），就是一個(gè)簡單的扣電實(shí)驗(yàn)，用扣電實(shí)驗(yàn)的表現(xiàn)我們可以了解到底是什么樣的失效機(jī)制引起扣電的表現(xiàn)之間產(chǎn)生了差異。這16個(gè)扣電一次做完，基本上可以做到非常一致，中間的差異，我們只能講16個(gè)測量頻道之間可能的差異，而不能講這個(gè)差異是16個(gè)扣電本身的差異。
但是就是在這樣好的扣電，做金屬電極研究的時(shí)候，看它的生命循環(huán)壽命是有很大的差異，這個(gè)循環(huán)壽命的差異，我們可以用電化學(xué)的分析，這里面到底不同的生命周期的表現(xiàn)，里面的問題是什么問題，到底是因?yàn)殇嚀p失的問題，還是因?yàn)殇嚫龢O之間反應(yīng)的時(shí)候產(chǎn)生了SEI的不同表現(xiàn)，產(chǎn)生的阻抗增加的問題，還是更多其他問題。這種東西是很重要的，我們的研究方法跟看的東西實(shí)際上跟大家做一般研究的時(shí)候注重的東西，我們是用反差的方法來看問題的。
我們實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)閺牟牧媳旧硪恢弊龅秸麄€(gè)單體，到電池組，這邊就是我們最近發(fā)表的一篇文章（PPT），從實(shí)驗(yàn)室里面得到了一些表現(xiàn)，經(jīng)過3-5年的使用表現(xiàn)，到底電池組跟電池本身的單體關(guān)系，能不能看到它的失效，整個(gè)失效過程是怎么演變的，能不能了解到當(dāng)初電池的設(shè)計(jì)有哪些問題，哪些是因?yàn)槭褂玫脕淼模男┦且驗(yàn)樵O(shè)計(jì)得來的，哪些是因?yàn)樵诓煌牡胤绞褂玫年P(guān)系而得到的這些差異。現(xiàn)在我們在做這方面的研究，幫助產(chǎn)業(yè)了解現(xiàn)在電池設(shè)計(jì)上的瓶頸問題。
電池500有一個(gè)很有意思的工作，我們先從解決高能量、高比能的設(shè)計(jì)跟長的壽命開始，后續(xù)再來解決高功率的問題。為什么從高比能來做？一個(gè)平臺很好的告訴我們，從電池的設(shè)計(jì)，電極材料本身，到整個(gè)安全設(shè)計(jì)，互相之間的關(guān)系怎么用設(shè)計(jì)的方法，怎么用解析的方法來了解我們做到電池500瓦時(shí)/公斤，做一千次的循環(huán)。金屬電極要做到一千循環(huán)是不容易的，要做到500瓦時(shí)/公斤也不容易。我們要了解從設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)里面的問題。
團(tuán)隊(duì)有三個(gè)梯隊(duì)，一個(gè)梯隊(duì)是了解材料當(dāng)中的動(dòng)力學(xué)的關(guān)系。第二個(gè)梯隊(duì)是從電極的設(shè)計(jì)，了解電極設(shè)計(jì)里面的極限。第三個(gè)團(tuán)隊(duì)是看整個(gè)電池設(shè)計(jì)完以后的表現(xiàn)，由電池的表現(xiàn)看到底多少問題是由電極產(chǎn)生的，有多少是材料本身動(dòng)力學(xué)的極限而沒有辦法做到電池達(dá)到原來的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。我們看電池的表現(xiàn)很重要，看差異性來看電池到底碰到什么問題。怎么看差異性，這是我們電池設(shè)計(jì)的一個(gè)參數(shù)，右邊是整個(gè)測試的流程。
從電極里面，看它的差異性，有可能是從正極來的，我們用的正極是622三元，也有可能負(fù)極來的，從鋰金屬的厚度，它表層的產(chǎn)生的異物和形貌，也有可能是電解液，也有可能是測量的一些精度的問題，而沒有辦法讓電池的表現(xiàn)能夠達(dá)標(biāo)。這些問題要怎么慢慢去分析？如果看16個(gè)電池做出來的精度，一般來講16個(gè)電池做到一致性差異是沒有的。24小時(shí)放電量出來的曲線基本上是在一條線上的，這是扣電。但是如果讓它循環(huán)，前面的25周期16個(gè)電池還是在一個(gè)很有限的變化里面，表現(xiàn)性、重復(fù)性是非常好的，做第一個(gè)10小時(shí)充放電和20小時(shí)充放電，了解有多少材質(zhì)損失，由這個(gè)材質(zhì)損失實(shí)驗(yàn)才知道到底有多少的損失是因?yàn)椴牧媳旧淼淖兓卸嗌偈请姵乇旧碓O(shè)計(jì)上的一些差異引起的問題。但是到后面25個(gè)周期的時(shí)候差異性就出來了，本來是16顆很好的一致的電池，經(jīng)過不同的測試手段以后，它的差異性就出來了，這個(gè)差異性出來，我們就要開始了解到底這不同的電池里面為什么會(huì)有這些差異。
好的電池一般來講一致性還是非常好，我們有一些電池開始有點(diǎn)走樣，怎么定義這個(gè)走樣？這是很有意思的，我們把它叫不好的電池。還有一些實(shí)際上是非常難看的，一下子就差不多了，已經(jīng)沒有辦法再使用了，我們叫很難看的電池。第一個(gè)我們看的就是dQ/dV，25個(gè)周期看到表現(xiàn)基本上是一致的，但是有些微笑的差異，這些微小的差異很可能是材料的，也可能是組裝的時(shí)候產(chǎn)生的差異，開始會(huì)有一些變化。這些變化在第一次的Refer很難察覺到差異。到第二次25周循環(huán)的時(shí)候，這個(gè)差異性在不同的電池里面就開始出現(xiàn)了，有些出現(xiàn)是相當(dāng)亦然的，有些出現(xiàn)是微觀的，只是偏差，有些是很明顯的差異。
到底是什么問題引起的？我們從充電，從放電，里面的這些差異就可以去追尋它的前因后果，是什么時(shí)候充電或放電的時(shí)候結(jié)果會(huì)有差異，這些差異開始會(huì)告訴我們這些差異的來源可能是來源于什么問題。
回到熱力學(xué)的分析，同樣的材料電化學(xué)的反應(yīng)應(yīng)該是一致的，熱力學(xué)的原理，在同樣一致的反應(yīng)里面，為什么這些差異會(huì)產(chǎn)生。當(dāng)然，這些產(chǎn)生應(yīng)該是動(dòng)力學(xué)的一個(gè)問題了，意思就是說可能很多表面、界面的問題，也有可能是離子傳導(dǎo)的問題。這樣的問題在同一個(gè)設(shè)計(jì)，同樣一個(gè)電池里面會(huì)產(chǎn)生變異，能不能用簡單的方法去判斷。我們的方法是怎么定義充電狀態(tài)，怎么定義放電狀態(tài)。由放電狀態(tài)跟充電狀態(tài)之間的差異，我們可以追尋什么時(shí)候鋰的損失可以檢測出來，在什么狀況下這些損失我們可以去了解它的差異。
從10小時(shí)、20小時(shí)放電跟3小時(shí)放電的循環(huán)里面，由這些倍率差異可以知道到底是動(dòng)力學(xué)影響的差異，我們可不可以察覺，我們有一套方法可以做這個(gè)分析，這個(gè)分析告訴你，比如說20小時(shí)放電，從25次循環(huán)基本上是有一致的關(guān)系，到后面放電的狀態(tài)，20小時(shí)放電的時(shí)候開始會(huì)有一些差異，這些差異在用3小時(shí)放電的刻度去看，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它不是一個(gè)極化的問題，還有界面跟SEI傳導(dǎo)的問題，這些問題在做分析的時(shí)候，慢慢這些差異就會(huì)開始顯現(xiàn)出來，告訴你這些電極里面到底是出了什么問題。
把這些問題做一個(gè)總結(jié)，從SOC，跟它阻抗的關(guān)系，慢慢就會(huì)發(fā)現(xiàn)到底這是一個(gè)熱力學(xué)材料損失的問題，還是動(dòng)力學(xué)阻抗傳導(dǎo)的問題。這些問題總結(jié)以后就會(huì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上一開始好的電池永遠(yuǎn)逃不過一些材料的損失，材料損失是16個(gè)電池都會(huì)碰到的問題。
這些問題到了后面的時(shí)候，要把這個(gè)鋰從鋰金屬開始，會(huì)產(chǎn)生新的SEI，這些新的SEI可能不一樣，會(huì)產(chǎn)生好的跟不好的介質(zhì)的差異。到后面SEI產(chǎn)生的膜會(huì)產(chǎn)生鋰離子導(dǎo)的時(shí)候，就會(huì)引起跳水的問題，我們知道是傳導(dǎo)引起的問題。這16個(gè)電池已經(jīng)告訴我們整個(gè)生命周期的問題，只是它發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)是不一樣的，當(dāng)它的機(jī)制是一樣的，由這個(gè)理念可以開始去發(fā)覺，到底我們在當(dāng)初組裝的時(shí)候這些電池里面的材料跟它的組裝方式是怎么樣產(chǎn)生差異。
一個(gè)基本的觀念，怎么用逆推的方法電池設(shè)計(jì)的問題，以這個(gè)方法我們?nèi)チ私鈴慕Y(jié)構(gòu)上，從材料的本身，熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)的問題，到整個(gè)電池的設(shè)計(jì)，它們之間的差異怎么去用不同的分析方法，不管是物理分析還是化學(xué)分析，電化學(xué)的分析，慢慢把這些關(guān)系找出來以后，就了解了設(shè)計(jì)上的問題。
失效分析是一個(gè)很重要的手段，一般我們在產(chǎn)業(yè)里面很少人用這種方法幫助你做電池設(shè)計(jì)。我們希望基于這個(gè)機(jī)會(huì)告訴你們失效分析本身是非常有用的手段，你要做的是定量，能夠做到定量的手段的時(shí)候，那你對整個(gè)技術(shù)的環(huán)節(jié)，跟整個(gè)電池設(shè)計(jì)里面的關(guān)系，就會(huì)找到一個(gè)非常好的對應(yīng)，由這個(gè)對應(yīng)，最重要看的是差異性，不是一致性；最重要要了解不是只有電池材料的問題，整個(gè)電池的設(shè)計(jì)牽涉到的問題是相當(dāng)復(fù)雜的，你必須要有相當(dāng)好的準(zhǔn)度跟精度去判斷這些差異的來源。最后，希望有機(jī)會(huì)大家可以到我們實(shí)驗(yàn)室參觀。
提問：謝謝廖老師的報(bào)告，一個(gè)簡單的問題，我們有的時(shí)候做分析的時(shí)候，希望理解里面的電池化學(xué)，如果我們理解了電池化學(xué)，實(shí)際上相當(dāng)于有了數(shù)據(jù)庫，遇到問題的時(shí)候，反推是可以找到答案的。比如說在做鋰金屬或是500瓦時(shí)/公斤的時(shí)候沒有這些數(shù)據(jù)庫，逆向分析怎么幫我們建立數(shù)據(jù)庫或怎么幫我們探究真正的原因？
廖伯彥：最重要的問題不是數(shù)據(jù)庫的問題，是用有限的信息了解數(shù)據(jù)包含的意義。我今天講的問題不是想說我們這個(gè)電池做的多好，而是從簡單的分析里面怎么去從數(shù)據(jù)里面了解到底有限的信息能告訴你電池設(shè)計(jì)上它的缺失在哪里。16個(gè)簡單的電池，不管是好不好，都會(huì)告訴你很多信息，主要的問題是從這些信息里面找出什么樣的結(jié)論來幫助你做設(shè)計(jì)，這是最重要的。
（根據(jù)速記整理，未經(jīng)嘉賓審閱）
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