中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：11月23日，清華大學(xué)能源研究所何向明教授出席某會(huì)議，針對(duì)電池的一致性和安全性問題，發(fā)表了題為“鋰離子電池的一致性和安全性”的演講。
以下為演講實(shí)錄：
新能源汽車是中國(guó)的一個(gè)大勢(shì)所趨的發(fā)展方向，無(wú)論是儲(chǔ)能還是車上的電池都是非常重要的部件，近些年來(lái)我們開展了大量的研究工作，今天給大家?guī)?lái)的就是這段時(shí)間我們對(duì)電池應(yīng)用方面的思考。
我的報(bào)告分為兩個(gè)內(nèi)容：一個(gè)是電池的一致性，另一個(gè)是電池的安全性。比如，韓國(guó)的Note7爆炸了，iPhone又鼓脹了，這到底是什么問題呢？下面我們就來(lái)分析一下。
一、電池的一致性問題
1.串并聯(lián)引發(fā)電池一致性問題
首先，電池的一致性問題。過去手機(jī)電池都是單塊單塊地使用，但是大規(guī)模儲(chǔ)能和基站儲(chǔ)能都需要很多的電池連在一起。以特斯拉作為一個(gè)典型的例子，大約是7000-10000塊小電池通過串并聯(lián)得到。這時(shí)，如果電池不一致就會(huì)發(fā)生很多問題。
第一，并聯(lián)情況。三塊電池并在一起，理想來(lái)說電流是平均分配給每個(gè)電池的，但實(shí)際情況下每個(gè)電池的電流并不一致，也有差異的特性。所以，電流不會(huì)平均分給每一個(gè)電池。早期電流是不一樣的，但是由于三個(gè)電池的容量是一樣的，早期的不一樣到了最后要充滿的時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)，早期電流小的最后就會(huì)突然增大，這會(huì)影響電池的發(fā)熱，進(jìn)而電池系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生不一致的情況。
第二，串聯(lián)情況。串聯(lián)的情況更嚴(yán)重一些，不一致就會(huì)導(dǎo)致有些電流先到達(dá)充電電壓，如果不做控制就會(huì)出現(xiàn)過充過放，會(huì)對(duì)電池有損害并且造成安全性的問題，如果控制的話電池的容量就發(fā)揮不出來(lái)，最先到達(dá)電池的容量控制了整個(gè)系統(tǒng)的容量，這樣對(duì)電池系統(tǒng)容量的發(fā)揮也是非常不利的。
2. 一致性串聯(lián)篩選的新方法
一致性是這個(gè)行業(yè)最大的問題，對(duì)此我們提出了用串聯(lián)充放電來(lái)進(jìn)行一致性篩選的思路，具體怎么做呢？所有從工廠出來(lái)的電池一致性做過篩選，然后把它進(jìn)行串聯(lián)，串聯(lián)以后再進(jìn)行充放電，這樣篩選一致性會(huì)有非常多的好處。
第一，只要選一個(gè)電壓就可以進(jìn)行篩選，參數(shù)比較單一，而且簡(jiǎn)便快捷。第二，串聯(lián)的電流絕對(duì)值相同，這樣就可以避免設(shè)備的誤差，因?yàn)樗型ㄟ^電池的電流都是一樣的，串聯(lián)充放電就是基于這樣一個(gè)思路。
我們提出的一致性串聯(lián)篩選方法具有簡(jiǎn)單、快捷和有效的特點(diǎn)。因?yàn)檫@種方法下，每個(gè)電池的電流是絕對(duì)相同的，所以消除了設(shè)備誤差的一致性篩選的影響。另外，我們只用一個(gè)電壓指標(biāo)就可以評(píng)判它的一致性，這樣的話比較容易進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和比較。
3.日本一致性最好，中、韓處于同一水平
我們選了市場(chǎng)上的五家典型的電池，兩家韓國(guó)廠商、一家日本廠商和兩家家國(guó)內(nèi)廠商，通過這些電池進(jìn)行一致性的篩選研究。我們把每家廠商的電池拿來(lái)進(jìn)行稱重，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)廠商和國(guó)外廠商的在稱重誤差方面有差距。原因在于注進(jìn)去的電解液的差異，這必然造成電池一致性的差異。
通過一些篩選結(jié)果和數(shù)據(jù)，最后我們看到日本的電池還是一致性各項(xiàng)指標(biāo)都是最好的，第二和第三的是中國(guó)和韓國(guó)的企業(yè)，可以看出日本的電池還是高人一等的，國(guó)內(nèi)和韓國(guó)的制造水平在一致性上是差不多的。
我們選擇了韓國(guó)的電池串聯(lián)循環(huán)，篩選以后發(fā)現(xiàn)循環(huán)性能很好，它的特性和單體電池的特性是基本相當(dāng)?shù)?，證明這種篩選方法非常有效，并且非常簡(jiǎn)單快捷，一個(gè)參數(shù)就可以把電池的一致性表現(xiàn)出來(lái)。
二、電池的安全性問題
鋰電的安全性全世界都很重視，很多機(jī)構(gòu)制定了一些標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)都非常嚴(yán)格，即便許多產(chǎn)品也都可以通過這些標(biāo)準(zhǔn)，但它們中間還是有事故發(fā)生，所以通過標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品也不能保證其安全，這是在業(yè)內(nèi)非常讓人頭疼的問題。
1. 濫用安全性可預(yù)測(cè)
安全性到底是什么？
我們可以分成兩類：一種就是濫用安全性，目前我們的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)都是這種，包括電的過充、短路、加熱、火燒。濫用安全性是可以預(yù)測(cè)的，每個(gè)電池都是實(shí)用的，而且通過測(cè)試進(jìn)行評(píng)估可以做到可控。
另一種是自引發(fā)安全性，無(wú)法通過測(cè)試預(yù)測(cè)，不知道什么時(shí)候著火，目前沒有任何方法可以完全消除。比如三里屯的車著火都很大，所有目前的手段都不能完全克服。
2.鋰離子電池安全隱患誘因：內(nèi)短路
什么叫做化學(xué)內(nèi)短路？就是有金屬異物跑到電池里面，充放電的過程當(dāng)中正極會(huì)被氧化，切到負(fù)極還原以后就會(huì)長(zhǎng)成一個(gè)金屬枝晶。
我們可以做個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明這個(gè)理論，就是在做電池的過程當(dāng)中，正極撒上一些不銹鋼的粉，電池裝完了以后拆開，我們發(fā)現(xiàn)負(fù)極上有些黑點(diǎn)，分析這些負(fù)極黑點(diǎn)的金屬和正極不銹鋼的成分是非常一致的，所以證明這些不銹鋼粉撒在正極里面，通過充放電完全遷移到了負(fù)極。實(shí)踐當(dāng)中我們發(fā)現(xiàn)銅、鐵和不銹鋼都很容易在電池里面出現(xiàn)，使電池產(chǎn)生內(nèi)短路。
電池當(dāng)中還有鋰枝晶的問題。所以必須把充電電流放得很低，常溫下也不能太高，一般來(lái)說對(duì)石墨負(fù)極正常設(shè)計(jì)的話，它的充電分水嶺是1攝氏度，超過1攝氏度都會(huì)有鋰電泄出。很多人開發(fā)了五分鐘充電、一分鐘充電，但是你都看不到產(chǎn)品，因?yàn)榭茖W(xué)已經(jīng)決定了超過1小時(shí)充電都會(huì)有問題。大家都希望快充，但科學(xué)上還要做很多的工作，現(xiàn)有的電池體系是不可能做到的。
另外隔膜瑕疵也很重要，如果中間有一個(gè)粉塵掉上去堵住了，充放電的過程當(dāng)中鋰就過不去，會(huì)在周圍沉積，這樣就比較容易形成鋰枝晶。
3.安全性的風(fēng)險(xiǎn)控制：化學(xué)材料的改進(jìn)
這些課題組應(yīng)該怎么辦呢？我們挑了幾個(gè)主要目的產(chǎn)生安全事故的點(diǎn)然后進(jìn)行分析。我們到工廠去看有什么問題，包括設(shè)計(jì)、制造和管理要特別注意的點(diǎn)，后來(lái)我去了一個(gè)工廠幾次以后它的事故率就大幅度降低了。
從我們得到的產(chǎn)品來(lái)看，通過化學(xué)的方法使內(nèi)部的放熱量降低，包括一系列的措施，我們希望電池不發(fā)生熱失控，按照這個(gè)思路研發(fā)了一些新的化學(xué)材料，使電池比較穩(wěn)定，最后進(jìn)行短路實(shí)驗(yàn)、過充電實(shí)驗(yàn)、穿刺實(shí)驗(yàn)等等，證明這個(gè)方法是安全可行的路徑。
我們認(rèn)為，一致性串聯(lián)篩選方法可以簡(jiǎn)單、快捷、有效地進(jìn)行篩選，通過測(cè)試可以對(duì)目前鋰離子電池的隨機(jī)安全性進(jìn)行評(píng)估。其中，日本的制造業(yè)確實(shí)比較好，他們的一致性、安全性都是最好的，目前我們國(guó)家和韓國(guó)基本處于相當(dāng)?shù)乃?。通過化學(xué)的改進(jìn)，鋰離子電池的安全性是可以被逐步攻克的，這是我們近幾年得出的結(jié)論。
責(zé)編：杉杉
