清華大學(xué)李哲：電池?zé)崽匦匝芯?/div>
2018年3月24日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會與電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦，天津力神電池股份有限公司重點(diǎn)支持的Li+學(xué)社·成就鋰享 智信未來（2018）電池技術(shù)沙龍第一期：電池安全-從設(shè)計(jì)到管理，于同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院正式開講了。清華大學(xué)汽車工程系副教授李哲就電池?zé)崽匦匝芯颗c參會人員進(jìn)行學(xué)術(shù)分享。
圖為清華大學(xué)汽車工程系副教授李哲做課題報(bào)告
李哲：大家上午好，謝謝同濟(jì)大學(xué)魏老師和協(xié)會的邀請，今天很高興跟大家見面。
我的問題主要是電池?zé)釂栴}，是要講大型電池的熱問題。今天主要談一下對于電池大型化和熱的方法，相關(guān)的解決方案大家可以在我們公開發(fā)表的論文當(dāng)中得到具體的講解。我會分兩個部分講解，一個是講我們對于電池大型化的理解；第二個是講對于大型電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所必須要了解的電池?zé)崽匦缘膯栴}。
電池大型化：以我們對大型化的定義相對，首先看一下大家更熟悉的電池，這個大家都很熟悉，最早的1865只能做到1Ah。隨著密度越來越高可能做到3-4Ah。它的系統(tǒng)容量一般到10-100WH。相應(yīng)它的單體能量也比較小，10650圓柱也比較常見。在這個電池上中國產(chǎn)業(yè)電池技術(shù)非常好，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早過動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展之前，在中國很多企業(yè)像CATL、BYD、力神都是非常重要的手機(jī)電池供應(yīng)商。
我的感覺在十年之前，大家在提動力電池，這種用于驅(qū)動和儲能兩種場景的高能量電池系統(tǒng)具有系統(tǒng)大、單體也大的特點(diǎn)，儲能大家可以理解用在電網(wǎng)中，在電網(wǎng)中做功率的調(diào)整或者和可再生能源放在一起，做一些可再生能源的吸納。驅(qū)動大家最熟悉的就是車輛驅(qū)動，像中船重工也在做，飛機(jī)也是。大家可能比較熟悉的電飛機(jī)概念是多電，而不是電驅(qū)動，用的還是傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)，現(xiàn)在我們跟國內(nèi)新型電飛機(jī)，在沈陽試飛了。
由于驅(qū)動和儲能電池系統(tǒng)以車輛來說，大家熟悉的是帶電量是20-50KWH。而儲能電站就更多了，相應(yīng)它的單體容量也在擴(kuò)大。大型化一個簡單的出發(fā)點(diǎn)就是希望減少系統(tǒng)的并聯(lián)數(shù)，并聯(lián)代表著節(jié)點(diǎn)增多，可靠性有問題，也代表著連接損耗增加。為減少并聯(lián)，單體要大。用在汽車當(dāng)中的單體，混合動力比較小一點(diǎn)，我們最常見的10-50kWH，展會上會見到一些大的，100-200的也有。特斯拉是一個特例，一方面他在電池管理上面有大量的工作要做，對系統(tǒng)性可靠成本都提出了很大的要求，下一代的特斯拉大家可以看到報(bào)道，往這些更大的電池上面拓展。
大型化大家的感覺就是容量大，體積大，再更細(xì)觀的上面有什么不同，我們做系統(tǒng)管理的研究人員做這種定位還很罕見，我們總結(jié)了以上四點(diǎn)：
第一點(diǎn)是傳質(zhì)路徑增長，簡單來說就是鋰子和電子，傳質(zhì)路徑一般在負(fù)極，為了提高能量，電極越囤越厚，幾十上百微米。傳質(zhì)電池帶來的問題就是傳質(zhì)不高的地方鋰子濃度非常高，這樣可能會帶來電池的提前截止，事實(shí)上是能量的一種浪費(fèi)。
第二點(diǎn)傳質(zhì)的路徑增長，這個好理解，這其中也有一個數(shù)量級的增加，還有一點(diǎn)更容易被忽視的是電池表面和整個的比較，假如就是一個立方體尺度的比例不變，算出來的這個A/V是跟這個相關(guān)的數(shù)字，散熱的能力正比面積，A/V減小以后電池的散熱比較差，第二點(diǎn)和第三點(diǎn)都會造成電池在單體內(nèi)有一個很大的溫度分布。
第四點(diǎn)我們總結(jié)為內(nèi)部并聯(lián)結(jié)構(gòu)的大量形成。層節(jié)式的電池幾十片電池片，這是很顯著的結(jié)構(gòu)，大型的卷繞式電池內(nèi)部也有多節(jié)點(diǎn)。這是我們對大型化的一些理解。
大家可以看到，1234點(diǎn)帶來的一個主要問題就是電池內(nèi)部的多種力量都會發(fā)生非均勻的濃度，比如等離子濃度，比如溫度帶來的并聯(lián)等等，如果能夠緩解速度控制來消除這些分布可以很顯著的提高大型電池的性能。
應(yīng)對大型化挑戰(zhàn)，國內(nèi)的動力電池企業(yè)做了大量的研發(fā)工作，我把它總結(jié)為電池設(shè)計(jì)和電池管理兩類：設(shè)計(jì)是偏電芯廠為主，中國引進(jìn)了國際上一些非常知名的企業(yè)。第二類的工作我把它叫做電池管理，采購電芯了以后怎么把它做成一個好的模塊，怎么做成組，有一個組以后怎么添加傳感原型的組建，這個工作也在做，一些獨(dú)立的Pack廠和整車企業(yè)更關(guān)注。
大學(xué)能做什么？我覺得大學(xué)更多還是做協(xié)助，為企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)做好協(xié)助和服務(wù)。大家對比一下中國和日本的產(chǎn)學(xué)研的態(tài)勢，經(jīng)常有這樣的一個概念，日本最先進(jìn)的科學(xué)成果都首先出現(xiàn)在企業(yè)里，日產(chǎn)發(fā)布了什么，Toyota發(fā)布了什么，日本的聲音更大一些，在中國相關(guān)的技術(shù)研究領(lǐng)域，地位更高一些，這種狀態(tài)應(yīng)該逐步調(diào)整，高校還是做一些非常基礎(chǔ)的理論知識，比如大型設(shè)備，比如中子介入反應(yīng)堆，比如一些通用方法模擬的一些軟件還有一些模型，可以做這樣的協(xié)助和服務(wù)的工作，企業(yè)還是研發(fā)的主體。
我們這里還涉及到電池管理：SOC幾十分鐘，中等的一個尺寸。考慮到梯次利用以后時間更長，可能是數(shù)十年的尺度。電池相關(guān)的研究和開發(fā)人員做的工作大概集中在哪幾個尺度上？
第一個尺度從小到大是材料的尺度。這里畫的是一個單顆粒，數(shù)十到數(shù)百的納米。做電極的企業(yè)都知道，另外在混料的時候難免會團(tuán)聚。顆粒形成的團(tuán)聚體涂附在電極層上，它大概是在100微米的層次。再下一個層次多個電極層通過其他零部件組成的，很多單體串成的一個系統(tǒng)大概在1米，他們都是兩兩之間相差兩個數(shù)量極，在這四個層次上都可以做。
在顆粒上面這部分在電芯廠或者電芯廠的供貨商去做，如何完善新材料的制備過程讓它變成的廉價高效，這個是典型的材料領(lǐng)域科學(xué)家做的事情，這部分工作長期以來是中國電池產(chǎn)業(yè)研究的一個重點(diǎn)，甚至大家覺得這個電池發(fā)展史就是材料的發(fā)展史。過去150年從最早的電池慢慢到鋰電池能量密度提高了三到五倍，未來更高的一些甚至更好的電池也有三到五倍的跨越。
下面還有一個層次它的效率不應(yīng)該被忽略。尤其是在大型化的基礎(chǔ)下，在電極層次一個典型的工作是做一款高功率電極設(shè)計(jì)，在某一個SOC方面必須要有高質(zhì)量的體現(xiàn)。升空的那種，這里面有鋰電池設(shè)計(jì)的問題，也有電極制造過程當(dāng)中的工藝的問題。
第三個就是單體。單體上我們也和很多企業(yè)合作過類似的項(xiàng)目，希望做低溫差的單品，希望降低溫差，車輛對溫差有要求，兩度到五度的范圍，不要比五度高，如果單體就超過五度這個工作就很難做，電芯廠首先要控制溫差。最后是Pack熱管理，單體的系統(tǒng)都是能源領(lǐng)域相關(guān)的研究問題，大家可以看看它不管是一個多尺度的過程，也是一個多學(xué)科的領(lǐng)域。在清華各個系都在爭能源這個詞。在電機(jī)、單體、系統(tǒng)上所要求的學(xué)科背景往往更加復(fù)雜，像企業(yè)招聘員工的時候，十年前要求的材料背景，現(xiàn)在要求的更高了一些，包括機(jī)械控制、車輛等等。
我們講一下第四個層次的典型工作，這是來自實(shí)驗(yàn)室的工作，在電極層我們做這樣的一個事情，建立一款模型幫助企業(yè)進(jìn)行開發(fā)。從供應(yīng)商工藝設(shè)計(jì)的參數(shù)，在這個模型里面設(shè)計(jì)的東西非常有限，很大程度上制約了我們的嘗試。我們想做一款趨近于真實(shí)的模型，不做平均。另外還希望電極層模型能夠跟蹤和工藝的革新，做到這個事情。
我們有一些研究院常年工作在一線，去了解工作的缺陷，跟蹤企業(yè)各個板塊，隔膜的顆粒表面等等。之前的混漿涂抹的方式現(xiàn)在也有一些新的方法出來了，希望把這個電極模型做的真，可以給企業(yè)提供這樣一種幫助，我可以在模型中試一試。調(diào)哪個會優(yōu)先帶來哪方面的效果，如果我想實(shí)現(xiàn)哪些特殊的目的可以優(yōu)先設(shè)置哪些東西，我們前期的一些實(shí)踐表明，不變的電池材料顆粒，材料不動，不變電解液的基本組成，僅僅變的是參數(shù)，在能量不降低的情況下，比功率至少還有一倍的差異。如果我們能在設(shè)計(jì)層次上做一些工作，有一倍就可以了，應(yīng)該是一個事半功倍的這么一個事情。
這是一些結(jié)果，大家可以看到電池放電過程當(dāng)中速度控制是不一樣的，大家可以看到每一個固體顏色的顆粒是近似的，但是不同層次的顏色差別還是很大，這是液像控制的過程，每一個顆粒很像，但是內(nèi)部每一個顆粒顏色差異很大，這就是典型的圖像控制過程，這個跟參數(shù)有關(guān)系。
在單體層次我們做的一件事情簡單來講就是調(diào)宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，我把它稱為3S。十年前我參加中國電池展會看到過幾百上千萬的一個大單品，為什么現(xiàn)在很少見這些單品呢？為什么大家都選了10-50kWH呢？其實(shí)電芯的結(jié)構(gòu)也在不斷的成長，圓柱好還是方形卷繞好還是方形折疊的好？尺度假如我做這個形，有什么比例的調(diào)整，這些都可以在單體層次的熱模型當(dāng)中得到回答。
最后一個層次是系統(tǒng)。我們把它分成了大概四類，第一類是分選與組配，電芯廠出廠都要分選，相同、近似的裝在一起。現(xiàn)在有一些文獻(xiàn)說由于并聯(lián)的單體處于不同的溫度下，就要裝不同的溫度不同的分配。第二類是電能管理，其中最有特色的就是SOC，SOC準(zhǔn)確估計(jì)的問題，第三點(diǎn)是熱管理，電芯廠都提出了我們要做全氣候的低溫差的單體，我是用空調(diào)風(fēng)還是液冷還是用散熱條件還是像日產(chǎn)凌風(fēng)那樣，干脆把整個盒子封起來，什么都不用，在熱管理上面有很多的門道可以講。最后一個就是安全管理，比如故障診斷到底哪一組壞了，這個最近也很火，這是我們對系統(tǒng)工作的一些理解。
關(guān)于電池?zé)釂栴}我是在單體上做的，我就只講單體熱問題，這是我們在單體熱問題上整理出來的一個研究思路。我覺得大家可以參考一下，如果在企業(yè)內(nèi)部有一個類似的電池?zé)崮M可以做相應(yīng)的工作，第一部分是標(biāo)定物性，最重要的是熱物性和產(chǎn)熱率。放在一起就是熱電模型，有了模型也不足以實(shí)現(xiàn)精確的溫度模擬，需要一些對邊界的精準(zhǔn)控制。比如說在實(shí)驗(yàn)室條件下電池的接線和導(dǎo)線的裝加可能會帶來電池?zé)嶙瑁诋a(chǎn)品上更多的是焊接的問題，另外電池的研究有一個很重要的特點(diǎn)，不像數(shù)理問題，很多是代數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算，大家在模型的維度和幾何處理做一些工作。這個溫度分布的準(zhǔn)不準(zhǔn)還得和測溫的結(jié)構(gòu)比一比。這款模型我們起了一個名字叫構(gòu)效關(guān)系模型，電極怎么設(shè)計(jì)的出來的比重能量化，單體結(jié)構(gòu)怎么設(shè)計(jì)的，出來的溫度怎么樣，這是我們做這個模型出來的一個本質(zhì)。
我講三點(diǎn)，我感覺在這個路徑上面困難最大的三點(diǎn)。一是熱物性，這是一款25AH能量型EV用電池，我們想把它的比熱容和導(dǎo)向系數(shù)弄在一起。這件事情就是很容易，我們直覺是導(dǎo)熱系似乎不是我們電池做的事情，應(yīng)該到精密儀器系或者熱能系用一些已有儀器做。試了三種方案，第一種是串并聯(lián)，第二種和第三種我們建了兩種儀器，一個是Hot disk，另外一種就是氙氣和激光閃射的方法，串并聯(lián)最主要的問題是不便于處理電池之間的熱度，在層上很小會發(fā)生溫度使用的不一樣，Hot disk也有這個問題，在非常短的時間內(nèi)，把熱傳到這個膜下面的東西，熱流根本沒有穿過電流本身，現(xiàn)在產(chǎn)生的問題是需要純干式的極片，或者一丁點(diǎn)的液體，電池本身是一個濕式，不希望破壞它的結(jié)構(gòu)。在這樣的情況下我們做了一些方法，我就講一下結(jié)論。這是這款電芯最后得到的比熱容和常規(guī)系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)在法相0.25，切項(xiàng)1.25，電池的不同方向是強(qiáng)烈導(dǎo)入易熱物性的物質(zhì)。比如在PVD板上我們也做了類似的嘗試，應(yīng)該是最高的精度。產(chǎn)熱率是溫度分布的根子，得把產(chǎn)熱率標(biāo)出來，這個可以算也可以量，算的公式企業(yè)的工程師都了解，1979年就有了，他把電池的產(chǎn)熱最后寫成這么一個公式，這里也有兩項(xiàng)值得我們標(biāo)定，測內(nèi)阻，還有一項(xiàng)是OCA溫度的導(dǎo)入，為了算熱最后就是算內(nèi)阻和散熱系數(shù)，其中散熱內(nèi)阻測量相對變數(shù)比較小一點(diǎn)，我們發(fā)現(xiàn)不同的測量方法差異很大。穩(wěn)態(tài)方法就是從滿到空，持續(xù)放電，換幾個不同的CC的電流，瞬態(tài)方法就是突然斷電流，大部分的內(nèi)阻測量方法都在這兩個范疇之內(nèi)，我們做了一款只有毫安級別的小電極去測穩(wěn)態(tài)方法，我們參考YS，參考所計(jì)算的特定產(chǎn)熱工況，選擇一個跟產(chǎn)熱工況類似的時間，這個方法盡量給準(zhǔn)態(tài)方法的選擇提供依據(jù)，這是散熱，還有量，我可以直接把熱量出來。傳統(tǒng)的量熱器比如熱重儀，還有一種叫DSC，動力電池上最常用的是這兩類，第一類叫ARC，第二類叫IBC，我想這個大家更熟悉一些，它的特點(diǎn)可以提供一個絕熱環(huán)節(jié)，就是外界對電池的熱焦化是0，在ARC中可以做各種的實(shí)驗(yàn)，這個東西相對比較新，我們買的是全球的第一臺還是第二臺的大型芯片，還有一個特點(diǎn)無論你的電池如何放熱，都可以直接通過溫度的方式把溫度恒定了，溫度恒定對于我們來說是一個好的環(huán)境，我們前面講到內(nèi)阻溫度敏感，在這種情況下我們測得的產(chǎn)熱率是單一特定溫度產(chǎn)熱率，如果在ARC上面測只能得到一個不準(zhǔn)確的溫度。
量熱儀器不好用，我們拿一個標(biāo)準(zhǔn)電阻，有這樣一個信號，量出來的是這個樣子，就是紅線，整個量熱儀包括放在其中的電芯，時間長度非常大，產(chǎn)熱率強(qiáng)動態(tài)一大實(shí)質(zhì)就是我們面臨的一個主要矛盾，有實(shí)質(zhì)我們就去做修正。第三點(diǎn)想講一下電池的新型測量，電池研究的主要工具前面講了是模擬，建立一個新測量方法周期非常長，占用學(xué)生的精力非常多，有時候那個結(jié)論很多時候都不準(zhǔn)確，這種費(fèi)力不討好的事情還是少做一做。第一個方面電池預(yù)測準(zhǔn)不準(zhǔn)。第二點(diǎn)就是這種測量有什么本身設(shè)計(jì)缺陷。在外部到內(nèi)部對封閉結(jié)構(gòu)的單體從單點(diǎn)上分布。
舉幾個例子，這是我們大概五六年前做的一個相對比較吐槽的工作，還是25AH，里面12個特定位置埋熱，當(dāng)時也做了一些工作，盡量減少對周圍的反應(yīng)影響，這個電池很堅(jiān)持，堅(jiān)持了幾個月，給了我們一些很寶貴的信息。
大電池內(nèi)部有很多并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如果不一致會分布，在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中就是測不出來的，怎么辦呢？我們就把絕緣耳切出來，確實(shí)證明了我們的猜想，電流分布差異非常大。可能是電極板本身制成的差異，也可能是后續(xù)的問題。我們做了一款軟的聚電壓的電路板，一面做了電壓，一面做了溫度，也是在電池內(nèi)部做了一些實(shí)驗(yàn)，板子的壽命還是有問題的，這個我也在嘗試，我們想通過一種外部的方法無損的把電池內(nèi)部有無異常電流找到。如果不做分割集板怎么辦？在周圍布了一圈磁場傳感器，構(gòu)建一個磁場出來，以磁測電，目前的進(jìn)展是電流分布的精度不太好，足以測量內(nèi)部短路，就是這樣的一個進(jìn)展。
這就是我們在熱問題提出的三個難點(diǎn)，熱物性、產(chǎn)熱率以及新型的測量方法注重內(nèi)部測量。
通過建立起的精度還不錯的溫度模型，我們可以做電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就是我們前面講的3S的時間參數(shù)，時間有限舉一個例子，假如給一個約束，我就想做多少容量，多少體積的電池，厚度各個尺度的比例都可以變化，比如隔膜的厚度單層是不變的，我們有多少設(shè)計(jì)方案呢？這些設(shè)計(jì)方案的溫度控制效果如何呢？橫軸是電芯的最高溫度，其中一個點(diǎn)就是一套設(shè)計(jì)方案，我們把這些設(shè)計(jì)方案帶到熱量模擬中去得到了電池質(zhì)量溫度和溫差，畫在這張圖上，這張大概一次會有200-500次方案，我們得到了這樣一張圖，這上面一些點(diǎn)很有趣，首先它是離散的，其中每一個離散的數(shù)就是正極的片數(shù)。因?yàn)橛袣馀荽笮。髿馀菰谏希職馀菰谙拢淖罡邷囟绕撸菧囟染鶆蛐赃€是不錯的。還有一個很重要的信息，如果我們把每一個離散最優(yōu)點(diǎn)，左下角這一塊，最優(yōu)點(diǎn)畫出來，這些紅色的點(diǎn)，大家可以看到它在這張圖呈現(xiàn)出來的就是負(fù)性，我們把這個叫做此消彼漲，這是經(jīng)濟(jì)學(xué)的一個概念，不可能在不犧牲另外一個指標(biāo)的前提優(yōu)化這個指標(biāo)。
這個圖有什么用呢？前面講了要做單體適宜大小，假如整車企業(yè)給我們提了一個要求，我希望電池包或者單體在左下角的曲線當(dāng)中，通過這個對應(yīng)容量，我們就能得到在這樣的問題要求下，單體電池最高能做到多大，這是一種選定單體對容量的方法，考慮對溫升和溫差的忍耐能力，這是我們在做電池結(jié)構(gòu)方面的一個例子，在比例包括形狀上面還有一些工作。
今天時間也不夠跟大家匯報(bào)了，我們總結(jié)了一本書《鋰離子電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用》，這個書是2016年出的，大家要是感興趣可以供大家參考，主要是單體熱問題和單體設(shè)計(jì)，謝謝大家。
（根據(jù)發(fā)言內(nèi)容整理 未經(jīng)本人審核）
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