歐陽明高院士：共同推進中國電池技術(shù)進步和可持續(xù)發(fā)展
【電池中國 11月28日 上海訊】11月28-30日，第八屆動力電池應(yīng)用國際峰會（CBIS2023）在中國上海隆重舉行，本屆峰會主題為“服務(wù)·合作·共贏一一擁抱‘新全球化’大時代”，來自國內(nèi)外新能源汽車、動力電池、儲能產(chǎn)業(yè)鏈超1000位代表共話全球化背景下產(chǎn)業(yè)發(fā)展。中國科學(xué)院院士歐陽明高在28日上午舉行的開幕式環(huán)節(jié)作主旨發(fā)言：
圖為中國科學(xué)院院士歐陽明高致辭
各位專家，各位領(lǐng)導(dǎo)，大家上午好!我給大家匯報一下電池安全研究與安全電池開發(fā)方面的一些進展。
首先我介紹一下我們的團隊，我們是清華大學(xué)新能源動力系統(tǒng)團隊，我們是做三件事，電池儲能、綠色氫能、智慧能源，我們有三大板塊：動力電池與電化學(xué)儲能系統(tǒng)板塊、氫燃料電池與電解綠氫系統(tǒng)板塊、智能動力與智慧能源系統(tǒng)，我們有四個創(chuàng)新中心，電池是在宜賓，也是國家市場監(jiān)管總局的監(jiān)管安全重點實驗室，我們的氫能在張家口有研究院，正在籌建國家氫能創(chuàng)新平臺，我們的智能動力是在南京，也是長三角國家創(chuàng)新中心新能源動力系統(tǒng)研究所。我們的智慧能源是在深圳，是住建部的低碳建筑創(chuàng)新中心，今天我重點給大家介紹這個板塊。
大家知道電池技術(shù)有一個創(chuàng)新的周期，這一代的鋰離子動力電池從2000年開始，我們關(guān)注最大的問題是電池的動力化，從手機電池變成動力電池，這中間的核心問題是安全耐用。現(xiàn)在行業(yè)已經(jīng)非常龐大，行業(yè)內(nèi)卷產(chǎn)能過剩，現(xiàn)在我們認為行業(yè)的新趨勢是數(shù)字化轉(zhuǎn)型，利用智能化來提質(zhì)增效。
同時下一代轉(zhuǎn)型可能是材料換代，固態(tài)電解質(zhì)、固態(tài)電池，我們覺得這大概是30年的周期，我們預(yù)計2030年全固態(tài)電池會產(chǎn)業(yè)化，這是一個完整的周期。當然全固態(tài)電池進入之后也需要30年才可能替代，整個上升下落完整周期我個人認為應(yīng)該是60年，主周期是30年。
針對電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)周期的判斷，我們聚焦的問題也是跟這三個相關(guān)，第一階段我們重點是做安全，然后我們現(xiàn)在也開始做智能化，同時面向我們也做固態(tài)化，這個是目前的聚焦點。
我們從安全開始，我們建有電池安全實驗室，這個是10多年前，中國電動汽車第一次燒車事故出現(xiàn)之后，我感覺這個問題很重要很關(guān)鍵也很有意思，所以建立了清華大學(xué)電池安全實驗室，現(xiàn)在我們在宜賓投資3個億建立宜賓電池研究院的實驗基地，我們也有大量的生產(chǎn)線，有表征，這就是我們的表征儀器，同時我們也引入了全套仿真軟件，宜賓市政府和達所軟件簽署了協(xié)議，我們會跟他們一起來開展對外業(yè)務(wù)。
我們有三個平臺，一個是表征平臺，一個是仿真平臺，還有一個是測試平臺，進行電池安全研究和安全電池開發(fā)。
這個是我們2011年成立以來所服務(wù)的全球客戶，我們在這個過程中也發(fā)表了300篇以上的論文，我們也有4位全球高被引科學(xué)家，我們也是國家儲能電站安全監(jiān)控平臺專家委員會主任，國防特種裝備電池安全測試與咨詢單位，我們也是國家市場監(jiān)管總局動力與儲能電池安全重點實驗室。
下面介紹一下大家都清楚的，我們搞安全的，核心是電池熱失控，電池熱失控有三個過程。一個是誘發(fā)這個大家都清楚，各種誘因，然后會引發(fā)一個電池的熱失控，熱失控發(fā)生的標志就是溫升速率達到每秒鐘接近1000℃，一個電池發(fā)生熱失控后在整個電池系統(tǒng)中蔓延，蔓延之后就會造成燃燒事故。針對這三個過程我們也有三項技術(shù)對于被動安全來講，我們有被動安全的技術(shù)熱失控蔓延，同時我們相應(yīng)開發(fā)安全的電池系統(tǒng)。
對于熱失控誘因我們主要是用控制的手段，主動安全，同時我們也有電池智能電池，對于熱失控發(fā)生，我們重點是要提高本征安全性，從材料的角度，也有對應(yīng)的安全電池，固態(tài)電池，這就是三項安全技術(shù)研究和三種電池。
首先是被動安全與安全電池，我講三個方面，蔓延過程、防控設(shè)計和系統(tǒng)開發(fā)。
首先對電池熱失控尤其是我們說的蔓延，電池噴發(fā)開始，電池內(nèi)部的電解液等等可燃起來噴出來的過程，這就開始了蔓延過程，為了測試這個過程我們開發(fā)的專用的測試裝備，這個是我們自己開發(fā)的，電池的熱失控定熔絕熱燃燒倉，我們除了具有絕熱，我們也可以進行絕熱熱失控測試，同時我們可以測試噴發(fā)物，噴出的氣體等等，我們也推廣到了多家單位。
利用這個我們研究了熱失控噴發(fā)和蔓延的機理，噴出來究竟有多大的燃爆危險性，我們做了大量的研究，其實從噴發(fā)、燃爆危險性的角度磷酸鐵鋰電池是比較高的，并不比三元低，三元是自己熱失控很厲害，這個噴出之后的燃爆指數(shù)其實磷酸鐵鋰更高。
另外一個，它怎么會燃燒起來，磷酸鐵鋰電池噴出的氣體沒有明火是很難出發(fā)熱蔓延，但是三元電池更容易熱失控蔓延，因為三元電池由于高溫正極金屬顆粒會有很多技術(shù)顆粒物，磷酸鐵鋰因為它的溫度偏低，正極通常不參與反應(yīng)，前提是磷酸鐵鋰電池的安時數(shù)要小，如果磷酸鐵鋰電池超過300安時，就是現(xiàn)在儲能用的磷酸鐵鋰電池，它的正極是參與反應(yīng)的，熱失控的維度也是要超過800度，這就是跟安時很有關(guān)系，安全小的時候正極不會參與反應(yīng)，磷酸鐵鋰正極很穩(wěn)定，但是安數(shù)大的時候正極會參與反應(yīng)，只要正極參與反應(yīng)顆粒物就多。整體看三元的顆粒物更厲害，它的燃燒溫度會超過1000度，會噴出大量的顆粒物，顆粒物的摩擦會產(chǎn)生火花，磷酸鐵鋰電池在通常情況不會自己燃，除非是明火。
明火從哪里來，有各種各樣的原因，其中最危險的因素是電弧，我們認為有了顆粒物之后發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)擊穿電弧的電壓大幅降低，臨界擊穿電壓會下降，這個是我們發(fā)現(xiàn)很重要的原因，一旦電弧起來，很快電池包就會燒穿，為此我們也通過實驗繪制了這張圖。顆粒物的粒徑與絕緣的間隙以及擊穿電壓之間的關(guān)系，在顆粒物粒徑很小擊穿電壓是基于100V的，擊穿之后要做熱失控整個蔓延的測試，這就是我們做的測試過程。
測試之后我們要研究它的蔓延規(guī)律，我們發(fā)現(xiàn)熱失控有三種特征模式，順序蔓延是早期的，亂序蔓延是中期，同步蔓延是后期的，這個是動力電池包。
我們也做了儲能電池包，也具有同樣的規(guī)律，也是同步、順序、亂序三種模式，根據(jù)這三種模式我們發(fā)明了分模式量化建模技術(shù)，這種模式的運算效率提升了20倍，我們用ANSYS計算只需要1天多。利用這個程序我們就可以進行先進的熱管理設(shè)計，比方說這種薄弱環(huán)節(jié)我們需要加強的。這是我們算的和測試結(jié)果對比，同時我們對大型儲能系統(tǒng)進行仿真計算，設(shè)計滅火系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)。
在此基礎(chǔ)上如何阻斷熱蔓延，我們發(fā)明了第三代防火墻，由清安科技推廣，首先它有一個耐高溫的海綿陶瓷，可以抗1300度高溫，我們做了骨架填充物和殼體這三部分組成了低溫散熱、中溫相變、高溫隔熱的復(fù)合相變熱響應(yīng)隔層，這個隔層在車上動力電池狹窄的預(yù)留空間也可以安裝，這是我們做的對比實驗，跟常規(guī)的氣凝膠對比，我們可以做到不蔓延、不起火，這個是對300Wh/kg的高鎳三元電池70/AH做的測試。這就是一些高安全電池系統(tǒng)的應(yīng)用，比如科易動力是五菱的主供應(yīng)商做電池包，也裝了防護墻，另外就是重慶清安儲能公司儲能電池包，這都是我們學(xué)生創(chuàng)業(yè)企業(yè)，目前已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，這是第一個方面。
第二個方面我講一下主動安全與智能電池。主動安全方面包括安全預(yù)警、主動調(diào)控和智能電池的開發(fā)。
首先是預(yù)警，我們發(fā)明了幾項技術(shù)，基于電池缺陷植入的熱失控復(fù)現(xiàn)與預(yù)警，我們在制造過程中把焊渣收集起來，植入進行做電池的測試，研究它的變化過程。我們通過這種方法研究它的演變過程就能夠復(fù)現(xiàn)突然死亡性熱失控，這個是以前很難做到的。
另外一種植入方式我們做內(nèi)短路的模擬實驗，用實驗?zāi)M替代性的方法模擬內(nèi)短路的觸發(fā)，美國可再生能源實驗室發(fā)生的相變材料觸發(fā)的成功率不高，我們在相變材料的基礎(chǔ)上加了記憶合金，它會主動去形成內(nèi)短路，所以記憶合金就是說我們先有一個很銳利的物質(zhì)加熱相變材料熔化記憶合金的材料它會翹起來刺破電池內(nèi)膜，這就是內(nèi)短路植入的過程，這是我們觸發(fā)和應(yīng)用的效果，我們的成功率可以達到83%，觸發(fā)還是比較可靠的。
在此基礎(chǔ)上，我們就可以建立內(nèi)短路的熱電路和模型，然后制定出內(nèi)短路熱失控引發(fā)的邊界條件，究竟哪些是風險比較高的，在此基礎(chǔ)上就可以開發(fā)出內(nèi)短路的識別算法和技術(shù)，這可以提前50天以上檢出演變型的內(nèi)短路，嚴重的內(nèi)短路預(yù)警我們超過15分鐘，但這還不夠，所以我們進一步發(fā)明了基于電池大模型的預(yù)警技術(shù)，這是我們在電池行業(yè)開發(fā)的首個大模型，這個大模型的參數(shù)量達到了12億，現(xiàn)在的訓(xùn)練數(shù)據(jù)覆蓋了442種電池類數(shù)，故障檢出率達到93%，誤報率降低的0.1%，這個是預(yù)警方面的工作。
第二方面，安全調(diào)控，電池以前是不能調(diào)控的，現(xiàn)在是可以調(diào)控的。首先析鋰調(diào)控與快充，快充對我們來說是技術(shù)量很高的事情，10分鐘沖800里，都是在電池安全和壽命的邊界上游走，對技術(shù)的要求很高。
首先我們要知道究竟怎么充才是不析鋰的邊界，不析鋰的邊界依舊是負極電位不低于零，我們要維持這個電流是這樣的，這是可以推導(dǎo)出來的，剛開始電流很大，要逐步降下來，不降下就會產(chǎn)生析鋰。必須要反饋負極電位，你不在車裝，但是你在標定快充圖的時候要裝傳感器，這就是我們現(xiàn)在開發(fā)的負極電位傳感器，以前我們都用三電極，但是它對電池性能的影響太大，經(jīng)過幾代逐步形成了薄膜低阻隔的負極電位傳感器跟隔膜是做成一體的，我們叫智能膜電極，這個壽命已經(jīng)達到了35萬公里。
基于這個可以開發(fā)無析鋰的安全快充，現(xiàn)在我們也有公司在做，首先是在去年冬奧會建了第一個，現(xiàn)在已經(jīng)在全國各地建，最近正在東北長春450kW，測試情況非常好，為什么在長春，因為我們要考核在低溫下的快充，低溫快充更復(fù)雜，我們?yōu)榱烁愠桑仨毾纫铀偌訜幔覀儼l(fā)現(xiàn)了脈沖加熱技術(shù)，每分鐘加7℃，實現(xiàn)10分鐘充400公里，功率大于350KW，電壓800V，在長春我們這是400V/KW的充電，現(xiàn)在有20輛車在一汽研發(fā)院的門口建了一個站，在那做驗證，這是我們跟殼牌公司一塊的，他們想把這個技術(shù)推到歐洲。
還有一種調(diào)控技術(shù)是對熱失控的調(diào)控，熱失控以前是不能調(diào)控的，我們一般只能設(shè)計抑制，但是實際上熱失控如果從T2開始不能調(diào)控，如果從T1開始是可以調(diào)控的。如果我們打斷熱失控的鏈式反應(yīng)就可能掉下來。根據(jù)熱失控發(fā)生的機理發(fā)現(xiàn)這個過程是還原性氣體生成的過程，只要我們把還原性氣體抑制度就不會往后走。還原性氣體要還原是要得電子，我們要針對性去放電流爭奪電子，這樣就可以抑制它，這就是主動熱失控調(diào)控的機理。
這就是我們做的調(diào)控實驗，這是一個260Wh/kg60Ah的電池，我們可以看出對比的情況，我們調(diào)控之后就可以調(diào)整下來，當然需要有一個放電的裝置，以后我們可以單獨做一個裝置，將來如果有V2G雙向充電樁，這個就不是問題。
第三個方面智能電池開發(fā)，首先是智能傳感器，植入式傳感器，首先是智能隔膜，然后我們有智能急流體，可以反應(yīng)溫度和家里。我們在端蓋上裝應(yīng)變片監(jiān)測氣壓，還有植入芯片，做成分布式無線的BMS，還有大量的算法，整個算法在智能傳感器植入的情況下可以更加精確和全面，這是我們正在做的。
為了開發(fā)智能電池我們配套了專門的開發(fā)工具，基于前面大模型進行智能設(shè)計、智能制造、智能管理、智能回收，智能首先由專門的公司為行業(yè)提供設(shè)計服務(wù)，另外我們面向制造生產(chǎn)線，用大模型，分容我們不需要進行全充全放，半充就可以把容量確定下來，異物檢測、K值檢驗都可以做，這也是為行業(yè)服務(wù)。
最后一部分是本征安全和固態(tài)電池，本征安全要研究機理，機理和材料化學(xué)相關(guān)，我們2018年開始做這件事，我們2018年發(fā)表了第一篇文章標志著本征安全組正式出成果，這是2018年我們發(fā)表基于材料機理熱失控的新機制，主要是三元電池，我們對三元電池熱失控全過程的反應(yīng)都弄清楚了。
這是一個比較典型的簡化熱失控三元電池300Wh/Kg高鎳三元電池熱失控機理的全過程，首先是負極跟電解反應(yīng)生成還原性氣體，還原性氣體攻擊正極晶格引發(fā)正極材料相變，正極固相反映，材料相變開始了熱失控自適應(yīng)過程，也就是T1。
正極固相反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳，固、氣和液三個反應(yīng)生成氧氣，氧氣一方面和電解解反應(yīng)觸發(fā)熱失控，同時氧氣和正極的金屬顆粒物會串繞到負極形成劇烈的T3最高溫度，這就是全過程。
為了抑制它，T1到T2這個階段我們要擋住還原性氣體，前面講了用電調(diào)控的方式，我們也可以用強制排氣的方法，也可以用隔膜擋住它，也可以用毒化層反應(yīng)掉，這些我們都做了實驗是很有效的如果不阻擋它是要熱失控，阻擋之后是沒有熱失控的，我們都通過實驗驗證了，這也是我們?nèi)ツ暝贕2上發(fā)表的一篇比較重要的文章，現(xiàn)在正在做產(chǎn)業(yè)化。
T2到T3，我們做了正極包覆，我們做了新的電解液，EC-free電解液，我們發(fā)現(xiàn)在T2觸發(fā)的時候電解液在生熱階段引發(fā)T2的核心是正極與EC反應(yīng)，如果我們把EC去掉就當然可以抑制T2，如果還抑制不了，我們還可以把氣體擋住不讓它過去，高安全隔膜，我們還有電解液的添加劑，這就是一個全方位的安全技術(shù)。
在此基礎(chǔ)上我們開發(fā)了安全電池，把EC-free的電解液原位固化，安全電解液和聚合電池就是高安全固化電池。現(xiàn)在如果要用固態(tài)電池會引來很多的問題，成本上升、倍率下降、制造成品率下降，會引發(fā)很多的問題。
用我們這個簡單的方法，成本不會上升，倍率也不會下降，我們還可以4C充電，大家看320Wh/Kg，1C循環(huán)1500周，3C容量可以達到0.3C發(fā)揮到90%，可以4C充電，大家看我們液態(tài)和固態(tài)相比，T1溫度提升了十多度，T2溫度提升了近50度，我們可以通過175度30分鐘的熱箱測試，這是安全電池開發(fā)，我們認為這實際上是到固態(tài)電池的過渡。
所以我們接下來要研究固態(tài)電池，對于固態(tài)電池來講我們只研究全固態(tài)電池，我們也只針對硫化物技術(shù)路線，我們不做氧化物。我們開展了高性能硫化物全固態(tài)電池研發(fā)，首先要研究的問題是安全性，我們也研究全固態(tài)電池的安全性，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)全固態(tài)電池在極端情況下也不是絕對安全的，也會釋放出氣體。
接著我們就研究反應(yīng)的機理，有兩種新的熱失效機理，正極高溫釋氧及其分解產(chǎn)物有兩種失效路徑：氣-固反應(yīng)和固-固反應(yīng)，這兩種反應(yīng)溫度是不一樣的，跟電解質(zhì)的類型也有關(guān)系，固-固反應(yīng)一般溫度很高在400度以上，全固態(tài)電池究竟值得不值得開發(fā)?
通過鋰離子電池液態(tài)反應(yīng)從負極開始，T1溫度一般在100度，現(xiàn)在全固態(tài)電池實驗表明在300度，T1溫度是起始溫度提升了200度，使電池安全的邊界大幅提升，它還是值得開發(fā)，有本征安全同時也有其它的優(yōu)勢，比如大倍率充電、大范圍運行溫度以及可以有效采用金屬負極、還可以采用更高比容量的正極材料比如說富鋰錳基等等，這些都是它的優(yōu)點，所以它還是具有顛覆性的，同時它的回收更加方便，同時結(jié)構(gòu)會改變，因為沒有液態(tài)物質(zhì)沒有泄漏問題，還是值得開發(fā)，我們開始了全固態(tài)電池的開發(fā)。
首先是復(fù)合正極，首先用了三元和硫化物固態(tài)電解質(zhì)，我們調(diào)控了前軀體結(jié)構(gòu)，在硫化物全固態(tài)電池體系下晶粒的尺寸比較大一點會更好，這個我們做到容量230mAh/g這也算比較高的了。
第二個硅碳負極，我們暫時不能采用鋰金屬負極，所以我們發(fā)明了新的制備方法，一步法制備，能耗低、成本低、周期短，現(xiàn)在我們已經(jīng)對常規(guī)的現(xiàn)在的液態(tài)鋰離子電池開始供貨，我們有個千噸級的產(chǎn)業(yè)化，硅硫化物全固態(tài)電池體系下比容量已經(jīng)超過了2400 mAh/g，同時我們用這個材料摻石墨供應(yīng)目前的電池體系，已經(jīng)有很多的廠家跟我們簽署合同，因為我們的成本比市場上低很多。
在此基礎(chǔ)上我們進行了固態(tài)電池正極開發(fā)，我們探索了超薄固態(tài)電池膜的制備，以及卷對卷干法電極，也有設(shè)備廠商跟我們配合，這個是目前研發(fā)15Ah全固態(tài)鋰離子電池，宜賓中心做的，我們現(xiàn)在有200人聚焦于智能電池和全固態(tài)電池及安全電池的開發(fā)，在宜賓中心的院士工作站，現(xiàn)在我們做到的能量密度是350Wh/kg，工作溫度區(qū)間是負40度-120度，熱箱耐受溫度是200度，我們下一步在2025年預(yù)計目標提高到500Wh/Kg，現(xiàn)在全固態(tài)電池受到國內(nèi)外極大的關(guān)注，我們也準備聯(lián)合一些產(chǎn)業(yè)鏈上的廠家共同努力，現(xiàn)在國內(nèi)的研發(fā)力量比較分散，大家各自做有重復(fù)，而且成本比較高，所以我們要協(xié)同。
最后做一個總結(jié)，從電池安全的研究出發(fā)逐步過渡到安全電池的開發(fā)，從被動安全的角度開發(fā)了電池安全的系統(tǒng)。第二個研究主動安全逐步發(fā)展到下一代智能電池，智能電池我們會提前產(chǎn)業(yè)化，2025年之前就可以產(chǎn)業(yè)化。第三個從材料本征安全性的角度研發(fā)出發(fā)發(fā)展了本征安全技術(shù)，進一步擴展到固化電池和全固態(tài)電池的研發(fā)，這是我們面向未來、面向2030的一個前瞻性研究。
希望我們的研究工作給行業(yè)的同行們、專家們提供一些參考，我們也愿意跟電池行業(yè)的所有專家、企業(yè)家一塊合作，共同推進中國電池技術(shù)的進步和可持續(xù)發(fā)展，謝謝各位!
以上為演講速記，內(nèi)容未經(jīng)演講者審閱。
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