俄羅斯圣彼得堡國(guó)立技術(shù)大學(xué)研究員王慶生

　　中國(guó)電池雜志-中國(guó)電池網(wǎng)11月11日訊（陳語(yǔ) 湖北武漢直播報(bào)道）11月11日，在2015年第3屆中國(guó)（武漢）鋰電新能源產(chǎn)業(yè)國(guó)際高峰論壇（ABEC 2015，鋰電“達(dá)沃斯”）上，俄羅斯圣彼得堡國(guó)立技術(shù)大學(xué)研究員王慶生發(fā)表了題為《鋰離子動(dòng)力電池安全性與材料熱電化學(xué)及結(jié)構(gòu)性能研究》的演講報(bào)告，以下是演講報(bào)告實(shí)錄：

　　大家好，在介紹這個(gè)報(bào)告之前，我們簡(jiǎn)單介紹一下我們自己和我們這個(gè)機(jī)構(gòu)，這里在座有很多新老朋友了，我們一直在做聚合物理電池的材料和相關(guān)技術(shù)研究，在這里有一些簡(jiǎn)單的技術(shù)跟大家進(jìn)行交流。

　　我們名稱(chēng)就是關(guān)于鋰離子電池的安全性和材料、結(jié)構(gòu)以及整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之間的關(guān)系。我們從四個(gè)部分來(lái)分析這個(gè)報(bào)告，第一個(gè)先講一下電池產(chǎn)能機(jī)理與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，再考慮整個(gè)相關(guān)材料的分析，還有動(dòng)力電池一系列的一個(gè)系統(tǒng)，還有根據(jù)這個(gè)電池組，包括它的使用情況，它的管理應(yīng)用之間的關(guān)系。

　　我們現(xiàn)在看一下電池產(chǎn)熱，我們大家都知道電池安全性熱控制最關(guān)鍵，做電池考慮兩個(gè)方面，一個(gè)是產(chǎn)熱低，第二個(gè)散熱好。我們?cè)趺纯紤]產(chǎn)熱低？我們產(chǎn)熱分兩個(gè)方向，一個(gè)是物理產(chǎn)熱，一個(gè)是化學(xué)產(chǎn)熱。散熱好了，我們一系列的工作要去做分析。熱效應(yīng)分了很多熱效應(yīng)，不過(guò)多說(shuō)。

　　主要看電池，我們有物理產(chǎn)熱和化學(xué)產(chǎn)熱，熱來(lái)源主要來(lái)自于反應(yīng)熱、焦耳熱等等，這幾個(gè)熱在下一步工作中我們?cè)趺纯刂疲吭趺唇鉀Q是非常重要的，跟材料、結(jié)構(gòu)有一系列的關(guān)系。在設(shè)計(jì)控制上，在分析它的產(chǎn)熱機(jī)理，導(dǎo)熱機(jī)理、包括它的散熱，我們?cè)趺磸脑O(shè)計(jì)控制上讓散熱性能更好，產(chǎn)熱會(huì)更低？

　　這就是我們要在一系列工作上去做的，比如說(shuō)結(jié)構(gòu)上、體系上，從材料上，包括工藝嚴(yán)格設(shè)計(jì)上，就是我們所說(shuō)的要控制極化。包括我們分析材料的部分，隔膜是我們電池的主要材料，它的熱導(dǎo)性是比較差的。從這里大家可以清楚地看出來(lái)，負(fù)極整體的導(dǎo)熱性能要好于正極。從電池體系來(lái)分，目前在整個(gè)電池技術(shù)領(lǐng)域上，分成四大類(lèi)，包括從多孔態(tài)，液態(tài)等等。我們?cè)趺磥?lái)解決物理極化問(wèn)題？首先解決物理的極化問(wèn)題，包括怎么樣從工藝上解決降低化學(xué)阻抗，降低化學(xué)產(chǎn)熱，提高鋰子交換。還有就是電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，怎么樣能夠讓散熱更好？產(chǎn)熱會(huì)更低？

　　下面我們從具體的材料進(jìn)行一系列的分析，我們?cè)陔姵夭牧现写蠹s有這些是主要的材料，我們看一下鋁膜的熱分析。這個(gè)很有意思，隔膜性能對(duì)比分析，從這個(gè)膜可以看到它的體表面積是非常大的。還有從控精和孔率來(lái)看，還有從比表面積來(lái)看。然后再看熱膨脹系數(shù)，材料膜從本身和結(jié)構(gòu)膜來(lái)看，結(jié)構(gòu)膜熱膨脹系數(shù)高于材料膜，在日后給大家一個(gè)建議，我們?cè)谀し较蚴褂蒙嫌懈嗟倪x擇。從這一點(diǎn)大家可以看到，在130度的時(shí)候，結(jié)構(gòu)膜上來(lái)看，出現(xiàn)了一個(gè)吸熱峰，結(jié)構(gòu)膜在130度的時(shí)候已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)了熱不變，但是在材料膜上區(qū)別還是很大的，很穩(wěn)定。

　　這個(gè)是我們同體系膜不同材料做的測(cè)試，還是有一些差別的。這個(gè)是在PVDF膜熱性能的比較，這個(gè)是電解液的性能，包括電解液所有的物理表征，從表面張力，從這里可以看到，60度之前我們要求還是很穩(wěn)定的，而且在60度的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了鋰子躍遷非?？?。

　　這個(gè)圖說(shuō)明了一個(gè)在分解前，一個(gè)是在溶劑參與后的反應(yīng)，有助于給我們做一個(gè)參考。這個(gè)我們從各個(gè)溫度點(diǎn)來(lái)測(cè)定了整個(gè)電解液不同溫度時(shí)間下分解的不同的氣體所帶來(lái)的效應(yīng)，我們要很關(guān)注這些氣體的一些成分。這個(gè)是整個(gè)ARC測(cè)試。這個(gè)是整個(gè)對(duì)接觸角的測(cè)試，因?yàn)檎龢O也好，負(fù)極也好，它的相容性都有關(guān)系，電解液什么樣情況下接觸角在什么情況下是可控的，而且達(dá)到我們所希望的預(yù)期。

　　這個(gè)是在滿電態(tài)一個(gè)正極情況下的曲線，大家可以看到，它是有區(qū)別的，在十度之差，包括負(fù)極的也是在十度之差。這是不同材料，使用的是同一種電解，它在做ARC測(cè)試的時(shí)候，兩種都是三元材料，它的熱拐點(diǎn)、溫度點(diǎn)是不一樣的，也就是說(shuō)不同材料在熱傳導(dǎo)上都會(huì)有不同的系數(shù)要求，包括不同的負(fù)極也是一樣。這是同一種材料在不同電解質(zhì)里面的曲線。

　　我們?cè)倏匆幌抡龢O材料，我們叫不同鋰金屬氧化物材料，我們發(fā)現(xiàn)了我們?cè)谶@里舉出兩種材料，主要針對(duì)三元材料和磷酸鐵鋰材料，這是它的力度、結(jié)構(gòu)的一些常規(guī)物理變化。這里給出了鈷酸鋰的熱含變化曲線。這個(gè)是分解的變化。

　　我們重點(diǎn)介紹下面的幾個(gè)點(diǎn)，現(xiàn)在大家看一下三元材料，這里代表的是指NCM，未充電情況下，可以發(fā)現(xiàn)在250度之前，兩種材料的熱含變化是基本上很相近，沒(méi)有什么大變化，在250度之后，一個(gè)是在400度，一個(gè)在500度，會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的峰值，在250度之前，對(duì)材料來(lái)說(shuō)都是很穩(wěn)定，在250度之后，三元材料出現(xiàn)了兩次放熱，但是磷酸鐵鋰只有一次。這個(gè)是在充電情況下，大家可以從曲線圖看到，滿電態(tài)放熱磷酸鐵利是高于三元材料的。從熱反應(yīng)速率來(lái)看，三元材料中它的熱反應(yīng)速率是高于磷酸鐵鋰的，磷酸鐵鋰整個(gè)熱含量大于三元材料，而且它一旦出現(xiàn)熱失控帶來(lái)的負(fù)反應(yīng)能量是非常大的。

　　從這個(gè)圖上我們很清楚地比較出了三元材料與磷酸鐵鋰之間的關(guān)系，紅色的是磷酸鐵鋰的值，黑色是三元材料，大家從這個(gè)曲線可以看到什么呢？法點(diǎn)啟動(dòng)是不一樣的，三元材料是在60度已經(jīng)開(kāi)啟了熱跟蹤法值，但是在磷酸鐵鋰99度才凱奇。其實(shí)我們?cè)趧?dòng)力電池設(shè)計(jì)中，我個(gè)人認(rèn)為，并不是說(shuō)最理想，我們?cè)谠O(shè)計(jì)要跟蹤抓住這個(gè)熱含系數(shù)的變化，但是磷酸鐵鋰熱含系數(shù)一直很低，一直是沒(méi)有太多的大的熱含變化。但是一出現(xiàn)的時(shí)候已經(jīng)到了拐點(diǎn)，不可控制了，失控了。但是在三元材料一直是線性的系數(shù)，而且在熱失控法點(diǎn)的時(shí)候，其實(shí)三元材料的法點(diǎn)值高于磷酸鐵鋰。

　　我們大家可以看到，磷酸鐵鋰熱膨脹系數(shù)是三元材料的兩倍，大家知道電池動(dòng)力學(xué)，我們現(xiàn)在在界面的問(wèn)題，我們一年后到一年半后的問(wèn)題怎么樣解決？我們?cè)谶@里已經(jīng)看到。這個(gè)是負(fù)極材料的分析，這個(gè)是常規(guī)性的分析，我不做過(guò)多的介紹。負(fù)極的還是蠻穩(wěn)定的，因?yàn)樵?00度的時(shí)候還是比較小，不論是MCM等等都是很穩(wěn)定。但是它的熱膨脹系數(shù)都是一樣的，但由于肌體材料厚度不一樣，整個(gè)膨脹率還是有差別的。

　　我們歸根結(jié)底大家可以看到這張表，我們發(fā)現(xiàn)了整個(gè)隔膜的溫度變化點(diǎn)，我們要注意的是什么？它和材料的正極負(fù)極及隔離膜之間的熱含變化等等。

　　我們看看整個(gè)電池要做好動(dòng)力電池需要從哪方面理解？動(dòng)力電池剛才說(shuō)了不光是在材料上，其實(shí)要和很多的工藝、裝備、系統(tǒng)，包括整體使用系統(tǒng)的設(shè)置和控制，都要結(jié)合在一起，才能有效地解決這個(gè)問(wèn)題。現(xiàn)在一些核心技術(shù)，我們?cè)谶@里主要是體現(xiàn)在膜的技術(shù)上等等。

　　現(xiàn)在看一致性的控制，它也是很多的，包括阻，溫度和SOC系的關(guān)系，包括在什么時(shí)候測(cè)它的SOC系是最穩(wěn)定的，這都是我們給大家的一些建議。包括它的交流阻抗，磷酸鐵鋰、三元材料我們做成同種電池進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了多種聚合物的優(yōu)勢(shì)，我們發(fā)現(xiàn)都是一樣的，但是不同體系，不同材料中，多孔聚合物的阻抗是最小的。

　　這是它整個(gè)的循環(huán)數(shù)據(jù)測(cè)試，不同溫度點(diǎn)的，SOC系衰減。電池的低溫度，我們?cè)诹阆?0度它的放電效率。它的安全性，和它整個(gè)電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，大家可以看到它的動(dòng)力性我們?cè)趺丛O(shè)計(jì)？它的安全性非常突出的，而且物理破壞之后，還持續(xù)供電，不產(chǎn)熱。

　　這是它的出能性電池的測(cè)試，好，我們電池性能做了一個(gè)表進(jìn)行了一下比較。

　　現(xiàn)在看一下電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括怎么樣防止氧化、怎么樣防止降低歐姆阻抗，這都是我們做技術(shù)人員要考量的。這個(gè)是怎么系統(tǒng)控制上對(duì)電池的幫助。最后我們?cè)趺礃涌剂可岬膯?wèn)題和溫差一致性的問(wèn)題，因?yàn)?度的溫差是最理想的，但是怎么樣做到？散熱等等是我們要考慮的問(wèn)題。我們現(xiàn)在設(shè)計(jì)溫場(chǎng)的設(shè)計(jì)和流體力學(xué)怎么樣設(shè)計(jì)CFD？基本上數(shù)據(jù)模型都是根據(jù)這幾個(gè)來(lái)的，包括整車(chē)，電池的性能指標(biāo)和整車(chē)的數(shù)據(jù)指標(biāo)都要結(jié)合在一起，整個(gè)邊界條件，包括數(shù)據(jù)模型。

　　也就是說(shuō)最后我們來(lái)做這個(gè)電池組設(shè)計(jì)的時(shí)候，要考量它的邊界條件，我們?cè)趺茨芸刂坪脽岵钍欠浅Ｖ匾?，散熱條件是非常重要的指標(biāo)，能保證電池的有效壽命得以提升。整個(gè)產(chǎn)品要有一個(gè)系統(tǒng)化，從單體到系統(tǒng)，我們要有一個(gè)系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)。然后還要和整車(chē)的一些工作要對(duì)接，也就是包括整個(gè)車(chē)輛的設(shè)計(jì)，電機(jī)的匹配等等，車(chē)廠、車(chē)企和電池企業(yè)，材料企業(yè)，裝備企業(yè)是密不可分的，不是一個(gè)人的事情，是整個(gè)系統(tǒng)的事情。

　　我們?cè)谝恍┦褂脩?yīng)用上也得到廣泛應(yīng)用，不論在充電市場(chǎng)，換電市場(chǎng)等等都得以推廣市場(chǎng)，這是我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)的一個(gè)介紹，謝謝大家！

　　（以上內(nèi)容根據(jù)論壇現(xiàn)場(chǎng)速記整理，未經(jīng)發(fā)言者本人審閱。）