清華大學(xué)李哲：電池熱特性研究
2018年3月24日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì )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(lái)（2018）電池技術(shù)沙龍第一期：電池安全-從設計到管理，于同濟大學(xué)汽車(chē)學(xué)院正式開(kāi)講了。清華大學(xué)汽車(chē)工程系副教授李哲就電池熱特性研究與參會(huì )人員進(jìn)行學(xué)術(shù)分享。
圖為清華大學(xué)汽車(chē)工程系副教授李哲做課題報告
李哲：大家上午好，謝謝同濟大學(xué)魏老師和協(xié)會(huì )的邀請，今天很高興跟大家見(jiàn)面。
我的問(wèn)題主要是電池熱問(wèn)題，是要講大型電池的熱問(wèn)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(kāi)發(fā)表的論文當中得到具體的講解。我會(huì )分兩個(gè)部分講解，一個(gè)是講我們對于電池大型化的理解；第二個(gè)是講對于大型電池結構設計中所必須要了解的電池熱特性的問(wèn)題。
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(gè)大家都很熟悉，最早的1865只能做到1Ah。隨著(zhù)密度越來(lái)越高可能做到3-4Ah。它的系統容量一般到10-100WH。相應它的單體能量也比較小，10650圓柱也比較常見(jiàn)。在這個(gè)電池上中國產(chǎn)業(yè)電池技術(shù)非常好，遠遠早過(guò)動(dòng)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電池供應商。
我的感覺(jué)在十年之前，大家在提動(dòng)力電池，這種用于驅動(dòng)和儲能兩種場(chǎng)景的高能量電池系統具有系統大、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。驅動(dòng)大家最熟悉的就是車(chē)輛驅動(dòng)，像中船重工也在做，飛機也是。大家可能比較熟悉的電飛機概念是多電，而不是電驅動(dòng)，用的還是傳統的發(fā)動(dòng)機，現在我們跟國內新型電飛機，在沈陽(yáng)試飛了。
由于驅動(dòng)和儲能電池系統以車(chē)輛來(lái)說(shuō)，大家熟悉的是帶電量是20-50KWH。而儲能電站就更多了，相應它的單體容量也在擴大。大型化一個(gè)簡(jiǎn)單的出發(fā)點(diǎn)就是希望減少系統的并聯(lián)數，并聯(lián)代表著(zhù)節點(diǎn)增多，可靠性有問(wèn)題，也代表著(zhù)連接損耗增加。為減少并聯(lián)，單體要大。用在汽車(chē)當中的單體，混合動(dòng)力比較小一點(diǎn)，我們最常見(jiàn)的10-50kWH，展會(huì )上會(huì )見(jiàn)到一些大的，100-200的也有。特斯拉是一個(gè)特例，一方面他在電池管理上面有大量的工作要做，對系統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道，往這些更大的電池上面拓展。
大型化大家的感覺(jué)就是容量大，體積大，再更細觀(guān)的上面有什么不同，我們做系統管理的研究人員做這種定位還很罕見(jiàn)，我們總結了以上四點(diǎn)：
第一點(diǎn)是傳質(zhì)路徑增長(cháng)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是鋰子和電子，傳質(zhì)路徑一般在負極，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(lái)的問(wèn)題就是傳質(zhì)不高的地方鋰子濃度非常高，這樣可能會(huì )帶來(lái)電池的提前截止，事實(shí)上是能量的一種浪費。
第二點(diǎn)傳質(zhì)的路徑增長(cháng)，這個(gè)好理解，這其中也有一個(gè)數量級的增加，還有一點(diǎn)更容易被忽視的是電池表面和整個(gè)的比較，假如就是一個(gè)立方體尺度的比例不變，算出來(lái)的這個(gè)A/V是跟這個(gè)相關(guān)的數字，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(huì )造成電池在單體內有一個(gè)很大的溫度分布。
第四點(diǎn)我們總結為內部并聯(lián)結構的大量形成。層節式的電池幾十片電池片，這是很顯著(zhù)的結構，大型的卷繞式電池內部也有多節點(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(lái)的一個(gè)主要問(wèn)題就是電池內部的多種力量都會(huì )發(fā)生非均勻的濃度，比如等離子濃度，比如溫度帶來(lái)的并聯(lián)等等，如果能夠緩解速度控制來(lái)消除這些分布可以很顯著(zhù)的提高大型電池的性能。
應對大型化挑戰，國內的動(dòng)力電池企業(yè)做了大量的研發(fā)工作，我把它總結為電池設計和電池管理兩類(lèi)：設計是偏電芯廠(chǎng)為主，中國引進(jìn)了國際上一些非常知名的企業(yè)。第二類(lèi)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(gè)好的模塊，怎么做成組，有一個(gè)組以后怎么添加傳感原型的組建，這個(gè)工作也在做，一些獨立的Pack廠(chǎng)和整車(chē)企業(yè)更關(guān)注。
大學(xué)能做什么？我覺(jué)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(gè)概念，日本最先進(jìn)的科學(xué)成果都首先出現在企業(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)應該逐步調整，高校還是做一些非?；A的理論知識，比如大型設備，比如中子介入反應堆，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(gè)尺寸?？紤]到梯次利用以后時(shí)間更長(cháng)，可能是數十年的尺度。電池相關(guān)的研究和開(kāi)發(fā)人員做的工作大概集中在哪幾個(gè)尺度上？
第一個(gè)尺度從小到大是材料的尺度。這里畫(huà)的是一個(gè)單顆粒，數十到數百的納米。做電極的企業(yè)都知道，另外在混料的時(shí)候難免會(huì )團聚。顆粒形成的團聚體涂附在電極層上，它大概是在100微米的層次。再下一個(gè)層次多個(gè)電極層通過(guò)其他零部件組成的，很多單體串成的一個(gè)系統大概在1米，他們都是兩兩之間相差兩個(gè)數量極，在這四個(gè)層次上都可以做。
在顆粒上面這部分在電芯廠(chǎng)或者電芯廠(chǎng)的供貨商去做，如何完善新材料的制備過(guò)程讓它變成的廉價(jià)高效，這個(gè)是典型的材料領(lǐng)域科學(xué)家做的事情，這部分工作長(cháng)期以來(lái)是中國電池產(chǎn)業(yè)研究的一個(gè)重點(diǎn)，甚至大家覺(jué)得這個(gè)電池發(fā)展史就是材料的發(fā)展史。過(guò)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(lái)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(gè)層次它的效率不應該被忽略。尤其是在大型化的基礎下，在電極層次一個(gè)典型的工作是做一款高功率電極設計，在某一個(gè)SOC方面必須要有高質(zhì)量的體現。升空的那種，這里面有鋰電池設計的問(wèn)題，也有電極制造過(guò)程當中的工藝的問(wèn)題。
第三個(gè)就是單體。單體上我們也和很多企業(yè)合作過(guò)類(lèi)似的項目，希望做低溫差的單品，希望降低溫差，車(chē)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(guò)五度這個(gè)工作就很難做，電芯廠(chǎng)首先要控制溫差。最后是Pack熱管理，單體的系統都是能源領(lǐng)域相關(guān)的研究問(wèn)題，大家可以看看它不管是一個(gè)多尺度的過(guò)程，也是一個(gè)多學(xué)科的領(lǐng)域。在清華各個(gè)系都在爭能源這個(gè)詞。在電機、單體、系統上所要求的學(xué)科背景往往更加復雜，像企業(yè)招聘員工的時(shí)候，十年前要求的材料背景，現在要求的更高了一些，包括機械控制、車(chē)輛等等。
我們講一下第四個(gè)層次的典型工作，這是來(lái)自實(shí)驗室的工作，在電極層我們做這樣的一個(gè)事情，建立一款模型幫助企業(yè)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。從供應商工藝設計的參數，在這個(gè)模型里面設計的東西非常有限，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(gè)事情。
我們有一些研究院常年工作在一線(xiàn)，去了解工作的缺陷，跟蹤企業(yè)各個(gè)板塊，隔膜的顆粒表面等等。之前的混漿涂抹的方式現在也有一些新的方法出來(lái)了，希望把這個(gè)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。調哪個(gè)會(huì )優(yōu)先帶來(lái)哪方面的效果，如果我想實(shí)現哪些特殊的目的可以?xún)?yōu)先設置哪些東西，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(dòng)，不變電解液的基本組成，僅僅變的是參數，在能量不降低的情況下，比功率至少還有一倍的差異。如果我們能在設計層次上做一些工作，有一倍就可以了，應該是一個(gè)事半功倍的這么一個(gè)事情。
這是一些結果，大家可以看到電池放電過(guò)程當中速度控制是不一樣的，大家可以看到每一個(gè)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(guò)程，每一個(gè)顆粒很像，但是內部每一個(gè)顆粒顏色差異很大，這就是典型的圖像控制過(guò)程，這個(gè)跟參數有關(guān)系。
在單體層次我們做的一件事情簡(jiǎn)單來(lái)講就是調宏觀(guān)結構參數，我把它稱(chēng)為3S。十年前我參加中國電池展會(huì )看到過(guò)幾百上千萬(wàn)的一個(gè)大單品，為什么現在很少見(jiàn)這些單品呢？為什么大家都選了10-50kWH呢？其實(shí)電芯的結構也在不斷的成長(cháng)，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(gè)形，有什么比例的調整，這些都可以在單體層次的熱模型當中得到回答。
最后一個(gè)層次是系統。我們把它分成了大概四類(lèi)，第一類(lèi)是分選與組配，電芯廠(chǎng)出廠(chǎng)都要分選，相同、近似的裝在一起?，F在有一些文獻說(shuō)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(lèi)是電能管理，其中最有特色的就是SOC，SOC準確估計的問(wèn)題，第三點(diǎn)是熱管理，電芯廠(chǎng)都提出了我們要做全氣候的低溫差的單體，我是用空調風(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(gè)盒子封起來(lái)，什么都不用，在熱管理上面有很多的門(mén)道可以講。最后一個(gè)就是安全管理，比如故障診斷到底哪一組壞了，這個(gè)最近也很火，這是我們對系統工作的一些理解。
關(guān)于電池熱問(wèn)題我是在單體上做的，我就只講單體熱問(wèn)題，這是我們在單體熱問(wèn)題上整理出來(lái)的一個(gè)研究思路。我覺(jué)得大家可以參考一下，如果在企業(yè)內部有一個(gè)類(lèi)似的電池熱模擬可以做相應的工作，第一部分是標定物性，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)現精確的溫度模擬，需要一些對邊界的精準控制。比如說(shuō)在實(shí)驗室條件下電池的接線(xiàn)和導線(xiàn)的裝加可能會(huì )帶來(lái)電池熱阻，在產(chǎn)品上更多的是焊接的問(wèn)題，另外電池的研究有一個(gè)很重要的特點(diǎn)，不像數理問(wèn)題，很多是代數，為了實(shí)現快速計算，大家在模型的維度和幾何處理做一些工作。這個(gè)溫度分布的準不準還得和測溫的結構比一比。這款模型我們起了一個(gè)名字叫構效關(guān)系模型，電極怎么設計的出來(lái)的比重能量化，單體結構怎么設計的，出來(lái)的溫度怎么樣，這是我們做這個(gè)模型出來(lái)的一個(gè)本質(zhì)。
我講三點(diǎn)，我感覺(jué)在這個(gè)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向系數弄在一起。這件事情就是很容易，我們直覺(jué)是導熱系似乎不是我們電池做的事情，應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(gè)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(wèn)題是不便于處理電池之間的熱度，在層上很小會(huì )發(fā)生溫度使用的不一樣，Hot disk也有這個(gè)問(wèn)題，在非常短的時(shí)間內，把熱傳到這個(gè)膜下面的東西，熱流根本沒(méi)有穿過(guò)電流本身，現在產(chǎn)生的問(wèn)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(gè)濕式，不希望破壞它的結構。在這樣的情況下我們做了一些方法，我就講一下結論。這是這款電芯最后得到的比熱容和常規系數。導熱系數在法相0.25，切項1.25，電池的不同方向是強烈導入易熱物性的物質(zhì)。比如在PVD板上我們也做了類(lèi)似的嘗試，應該是最高的精度。產(chǎn)熱率是溫度分布的根子，得把產(chǎn)熱率標出來(lái)，這個(gè)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(xiě)成這么一個(gè)公式，這里也有兩項值得我們標定，測內阻，還有一項是OCA溫度的導入，為了算熱最后就是算內阻和散熱系數，其中散熱內阻測量相對變數比較小一點(diǎn)，我們發(fā)現不同的測量方法差異很大。穩態(tài)方法就是從滿(mǎn)到空，持續放電，換幾個(gè)不同的CC的電流，瞬態(tài)方法就是突然斷電流，大部分的內阻測量方法都在這兩個(gè)范疇之內，我們做了一款只有毫安級別的小電極去測穩態(tài)方法，我們參考YS，參考所計算的特定產(chǎn)熱工況，選擇一個(gè)跟產(chǎn)熱工況類(lèi)似的時(shí)間，這個(gè)方法盡量給準態(tài)方法的選擇提供依據，這是散熱，還有量，我可以直接把熱量出來(lái)。傳統的量熱器比如熱重儀，還有一種叫DSC，動(dòng)力電池上最常用的是這兩類(lèi)，第一類(lèi)叫ARC，第二類(lèi)叫IBC，我想這個(gè)大家更熟悉一些，它的特點(diǎn)可以提供一個(gè)絕熱環(huán)節，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，這個(gè)東西相對比較新，我們買(mǎi)的是全球的第一臺還是第二臺的大型芯片，還有一個(gè)特點(diǎn)無(wú)論你的電池如何放熱，都可以直接通過(guò)溫度的方式把溫度恒定了，溫度恒定對于我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)好的環(huán)境，我們前面講到內阻溫度敏感，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(gè)不準確的溫度。
量熱儀器不好用，我們拿一個(gè)標準電阻，有這樣一個(gè)信號，量出來(lái)的是這個(gè)樣子，就是紅線(xiàn)，整個(gè)量熱儀包括放在其中的電芯，時(shí)間長(cháng)度非常大，產(chǎn)熱率強動(dòng)態(tài)一大實(shí)質(zhì)就是我們面臨的一個(gè)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(gè)新測量方法周期非常長(cháng)，占用學(xué)生的精力非常多，有時(shí)候那個(gè)結論很多時(shí)候都不準確，這種費力不討好的事情還是少做一做。第一個(gè)方面電池預測準不準。第二點(diǎn)就是這種測量有什么本身設計缺陷。在外部到內部對封閉結構的單體從單點(diǎn)上分布。
舉幾個(gè)例子，這是我們大概五六年前做的一個(gè)相對比較吐槽的工作，還是25AH，里面12個(gè)特定位置埋熱，當時(shí)也做了一些工作，盡量減少對周?chē)姆磻绊?，這個(gè)電池很堅持，堅持了幾個(gè)月，給了我們一些很寶貴的信息。
大電池內部有很多并聯(lián)機構，如果不一致會(huì )分布，在現實(shí)當中就是測不出來(lái)的，怎么辦呢？我們就把絕緣耳切出來(lái)，確實(shí)證明了我們的猜想，電流分布差異非常大?？赡苁请姌O板本身制成的差異，也可能是后續的問(wèn)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，也是在電池內部做了一些實(shí)驗，板子的壽命還是有問(wèn)題的，這個(gè)我也在嘗試，我們想通過(guò)一種外部的方法無(wú)損的把電池內部有無(wú)異常電流找到。如果不做分割集板怎么辦？在周?chē)剂艘蝗Υ艌?chǎng)傳感器，構建一個(gè)磁場(chǎng)出來(lái)，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?jì)炔慷搪?，就是這樣的一個(gè)進(jìn)展。
這就是我們在熱問(wèn)題提出的三個(gè)難點(diǎn)，熱物性、產(chǎn)熱率以及新型的測量方法注重內部測量。
通過(guò)建立起的精度還不錯的溫度模型，我們可以做電池的結構設計，就是我們前面講的3S的時(shí)間參數，時(shí)間有限舉一個(gè)例子，假如給一個(gè)約束，我就想做多少容量，多少體積的電池，厚度各個(gè)尺度的比例都可以變化，比如隔膜的厚度單層是不變的，我們有多少設計方案呢？這些設計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(gè)點(diǎn)就是一套設計方案，我們把這些設計方案帶到熱量模擬中去得到了電池質(zhì)量溫度和溫差，畫(huà)在這張圖上，這張大概一次會(huì )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(gè)離散的數就是正極的片數。因為有氣泡大小，大氣泡在上，下氣泡在下，它的最高溫度偏高，但是溫度均勻性還是不錯的。還有一個(gè)很重要的信息，如果我們把每一個(gè)離散最優(yōu)點(diǎn)，左下角這一塊，最優(yōu)點(diǎn)畫(huà)出來(lái)，這些紅色的點(diǎn)，大家可以看到它在這張圖呈現出來(lái)的就是負性，我們把這個(gè)叫做此消彼漲，這是經(jīng)濟學(xué)的一個(gè)概念，不可能在不犧牲另外一個(gè)指標的前提優(yōu)化這個(gè)指標。
這個(gè)圖有什么用呢？前面講了要做單體適宜大小，假如整車(chē)企業(yè)給我們提了一個(gè)要求，我希望電池包或者單體在左下角的曲線(xiàn)當中，通過(guò)這個(gè)對應容量，我們就能得到在這樣的問(wèn)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構方面的一個(gè)例子，在比例包括形狀上面還有一些工作。
今天時(shí)間也不夠跟大家匯報了，我們總結了一本書(shū)《鋰離子電池結構設計理論與應用》，這個(gè)書(shū)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(wèn)題和單體設計，謝謝大家。
（根據發(fā)言?xún)热菡?未經(jīng)本人審核）
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