中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：9月7—9日，由工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司、國家能源局能源節(jié)約和科技裝備司、浙江省能源局聯(lián)合指導(dǎo)，中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合232余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十二屆中國國際儲(chǔ)能大會(huì)在杭州洲際酒店召開。本次大會(huì)由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)、中國科學(xué)院電工研究所儲(chǔ)能技術(shù)組和中國儲(chǔ)能網(wǎng)聯(lián)合承辦。
大會(huì)以"共創(chuàng)儲(chǔ)能新價(jià)值，共建市場(chǎng)新格局"為主題，聚焦新型儲(chǔ)能安全持續(xù)發(fā)展，針對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)等重點(diǎn)、熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題展開充分探討，分享可持續(xù)政策機(jī)制、資本市場(chǎng)、新型儲(chǔ)能系統(tǒng)集成技術(shù)、供應(yīng)鏈體系、商業(yè)模式、標(biāo)準(zhǔn)、示范項(xiàng)目應(yīng)用案例、新產(chǎn)品以及解決方案的普及和深化應(yīng)用。
來自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國內(nèi)外駐華機(jī)構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機(jī)構(gòu)等不同領(lǐng)域的913家產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，3317位嘉賓參加了本屆大會(huì)，其中154家企業(yè)展示了儲(chǔ)能產(chǎn)品，可謂盛裝出席，涵蓋系統(tǒng)集成、電芯、PCS、BMS、集裝箱、消防、檢測(cè)認(rèn)證等新型儲(chǔ)能全產(chǎn)業(yè)鏈。
大會(huì)組委會(huì)邀請(qǐng)蘇州易來科得科技有限公司首席執(zhí)行官陳新虹做《電芯壽命回溯助力長(zhǎng)壽命電芯設(shè)計(jì)》主題報(bào)告。以下為發(fā)言主要內(nèi)容：
陳新虹：各位專家、各位領(lǐng)導(dǎo)、各位同仁上午好！我們公司的名字叫做易來科得，我們具備目前世界上最先進(jìn)的對(duì)電極層微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)的能力，進(jìn)而提升整個(gè)電芯的性能，包括短期和長(zhǎng)期的性能。
我今天匯報(bào)的題目是“電芯壽命回溯助力長(zhǎng)壽命電芯設(shè)計(jì)”，今天很多嘉賓講了一些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和新的材料體系，我覺得回顧到這個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本，它應(yīng)該是技術(shù)推動(dòng)的，儲(chǔ)能電池的性能決定了整個(gè)系統(tǒng)的壽命及安全，而且儲(chǔ)能電池又是占了整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)大的成本比例，所以也決定了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。今天，我主要從從電芯設(shè)計(jì)的角度，來給大家進(jìn)行分享。
首先花1分鐘時(shí)間介紹一下易來科得，易來科得脫胎于清華大學(xué)歐陽明高院士團(tuán)隊(duì)的技術(shù)創(chuàng)業(yè)公司，我們之前主要的產(chǎn)業(yè)業(yè)務(wù)聚焦在動(dòng)力電池，隨著儲(chǔ)能電池的新興發(fā)展和突飛猛進(jìn)，我們現(xiàn)在儲(chǔ)能客戶也非常多。公司致力于用智能的、正向的、仿真的技術(shù)推動(dòng)電芯設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。我們公司是一個(gè)全球化的公司，在蘇州、北京和德國杜塞爾多夫都有分支機(jī)構(gòu)。
我今天匯報(bào)的有以下幾個(gè)主要方向，首先，背景是什么，是什么樣的根因推動(dòng)我們要做這個(gè)事情：電芯壽命問題回溯和助力電芯長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)。其次，我們的方法論是什么，總結(jié)下來是用單因子測(cè)試的方法定位造成電芯壽命不達(dá)標(biāo)的原因是什么，同時(shí)通過建立仿真模型的方法來重現(xiàn)這個(gè)壽命進(jìn)程。最終提供給客戶的是：為什么電芯的壽命不達(dá)標(biāo)，怎么樣通過這樣一個(gè)正向設(shè)計(jì)的改進(jìn)來達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命電芯的設(shè)計(jì)。
說實(shí)話我接觸過很多電芯的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，想要把循環(huán)壽命達(dá)到未來的7000-12000次目標(biāo)，我們還有很長(zhǎng)的路要走。另外，壽命上去了，運(yùn)營成本也下來了，這件事是兩頭好，我們非常有動(dòng)力把這個(gè)事情搞清楚。
兩條腿走路，一條是高精尖的實(shí)驗(yàn)方法提升電芯壽命性能，另一條是最先進(jìn)的仿真方法提升電芯壽命性能。從本質(zhì)的角度講，像一個(gè)顯微鏡一樣到電池里面去看到底發(fā)生了什么。這兩條路走到最后交匯的終點(diǎn)是我提供了更好的長(zhǎng)壽命電芯的設(shè)計(jì)方案出來。
我們的方法論，就像體檢一樣，哪不舒服了，先做一系列的檢查，上各種儀器，最后實(shí)驗(yàn)報(bào)告出來，我們?cè)僮鲈\斷分析，看看出了什么問題。首先我們要選取最少2顆平行樣品，他們的衰減趨勢(shì)基本一致，用這兩個(gè)干什么呢？我們后面要做失效分析，要遵循先做無損再做有損分析模式，回溯電芯壽命問題。
常規(guī)的壽命測(cè)試至少要半年以上，周期太長(zhǎng)。我們要做加速實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證電芯在全生命周期的演變規(guī)律。?？茖W(xué)的加速實(shí)驗(yàn)應(yīng)在非濫用的應(yīng)力水平范圍內(nèi)進(jìn)行加速，所以濫用邊界的確定也是個(gè)技術(shù)點(diǎn)。
制定好了合理的電芯加速壽命實(shí)驗(yàn)方法后，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路，需要綜合考慮更多的維度。首先從設(shè)計(jì)的角度上講，有一大堆設(shè)計(jì)因素能影響到壽命，比如說N/P比，群裕度等；從生產(chǎn)角度上講，影響老化的因素包括攪拌、輥壓、分切等工序帶來的引起壽命的一些問題；還有從使用角度上講，包括溫度、電壓區(qū)間、SOC等都會(huì)影響電芯壽命。所以進(jìn)行電芯壽命預(yù)測(cè)之前，首先應(yīng)先建立或明確影響電芯壽命的多機(jī)理相應(yīng)框架?；谶@個(gè)框架，我們要對(duì)應(yīng)的制定一攬子的單機(jī)理實(shí)驗(yàn)，明晰電芯設(shè)計(jì)內(nèi)在變化、老化外特性表現(xiàn)與老化機(jī)理本質(zhì)之間的相互關(guān)系，可能涉及到的機(jī)理包括結(jié)構(gòu)變化、相變、金屬溶解、粘結(jié)劑分解、導(dǎo)電劑氧化、集流體腐蝕、電解液分解、SEI膜、堵孔產(chǎn)氣，析鋰等。通過單機(jī)理實(shí)驗(yàn)可以科學(xué)的定位引起電芯異常老化的關(guān)鍵影響因子是什么。 通過這樣的方法論的指導(dǎo)來制定我們后面的失效分析流程。
科學(xué)的電芯壽命回溯分析流程，要遵循先做無損再做有損的分析思路。無損分析是我們不拆解電芯做的一系列分析測(cè)試。如果通過無損分析的手段尚不能定位電芯異常衰減的原因，我們就需要通過有損的分析方法來分析電芯壽命不達(dá)標(biāo)的原因。有損分析是把電池拆開，通過一系列的測(cè)試分析手段得到一些新的信息來捕捉電芯異常衰減的本質(zhì)原因，。
首先我們先做無損分析，無損分析包括：性能測(cè)試和結(jié)構(gòu)測(cè)試。性能測(cè)試有小倍率充放電測(cè)試，再做EIS測(cè)試， ICA/DVA分析，內(nèi)阻測(cè)試、外觀尺寸測(cè)試， 以及CT測(cè)試等，我們通過一系列的無損分析來判斷電芯的狀態(tài)。但是這不是全部，我們這個(gè)體檢才剛剛開始。
其次我們要做有損分析，有損分析包括電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)測(cè)試、成分測(cè)試和性能測(cè)試。比如通過電芯拆解查看電極的滿充界面，要做機(jī)械件檢查，電解液殘留量測(cè)定，電解液的成分分析等。再對(duì)極片做SEM-EDS測(cè)試、材料ICP測(cè)試、，以及隔膜的透氣度、孔隙率變化測(cè)試等等，完成一個(gè)非常全面的體檢。
舉個(gè)例子，我們是怎么來分離電解液這個(gè)事的呢？我們叫做電解液殘留量測(cè)量，收集游離的電解液，將正極、負(fù)極和隔膜取樣裝入離心管，離心正極、負(fù)極和隔膜中吸附的電解液，并將電解液全部收集。將兩種方式獲取的電解液使用量筒來測(cè)量體積。
在具體的電芯拆解過程中，要遵循很多注意事項(xiàng)。不是任何人把電池拆了以后做完一系列測(cè)試以后就可以得到精確的判斷。這塊我不具體展開講了，里面任何一個(gè)測(cè)試分析都是一個(gè)Know-how。
剛剛說了方法論，具體來看看我們?cè)趺捶治觯治瞿男┚唧w問題。
首先是我們拿到了一些輸入，包括壽命不達(dá)標(biāo)電芯的循環(huán)壽命數(shù)據(jù)（包含一系列的曲線：如壽命衰減曲線、內(nèi)阻增長(zhǎng)、膨脹力數(shù)據(jù)等等）；還有電芯設(shè)計(jì)信息，這是我們與眾不同的地方，我們要從具體的電芯設(shè)計(jì)方案出發(fā)，從源頭來判斷這件事情。還有一個(gè)是要回溯分析的結(jié)果，我們做了很多外特性測(cè)試、拆解圖片、測(cè)量結(jié)果和一些數(shù)據(jù)，我們拿到這些東西以后就開始像醫(yī)生一樣做系統(tǒng)診斷。
首先看循環(huán)數(shù)據(jù)，循環(huán)數(shù)據(jù)是比較簡(jiǎn)單的，從圖中我們可以看到容量曲線到了380次出現(xiàn)明顯“跳水”，這個(gè)對(duì)應(yīng)到DCR也是明顯對(duì)照，內(nèi)阻突然上升。再看EIS，黃色的線也突然加速增長(zhǎng)，這個(gè)時(shí)候電芯出現(xiàn)了明顯的衰減這是我們?cè)跓o損分析里面得到的典型結(jié)果；其次看看外觀，是否漏液，有沒有膨脹；再做小倍率充放電測(cè)試，看容量曲線有沒有異常；最后在CT圖里面，可以看到存在一些褶皺，褶皺部分也常常是析鋰優(yōu)先發(fā)生的地方。
再做有損分析，如看看電解液滿充界面是否存在異?，F(xiàn)象（如紫斑、黑斑等），還有電解液殘留量測(cè)試和顏色觀察，以及觀測(cè)電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否存在變形，陰陽極做SEM-EDS測(cè)試分析等。
這是我們做的拆解的實(shí)際情況，把外殼拆了以后把卷芯分開，看看負(fù)極是不是滿電界面，如果發(fā)現(xiàn)負(fù)極部分區(qū)域褶皺，可能會(huì)造成嵌鋰不足，這個(gè)時(shí)候很容易導(dǎo)致析鋰的發(fā)生。析鋰也是我們?cè)诤竺娴慕Ｖ袘?yīng)該考慮的副反應(yīng)之一，。在循環(huán)充放電過程中，我們還會(huì)看到一些膨脹-收縮，由于反復(fù)的膨脹-收縮導(dǎo)致應(yīng)力分布不均，作用在在卷芯上，使得電極出現(xiàn)一些褶皺，有時(shí)候是W形，有時(shí)候是S形。
剛才說了醫(yī)生可以做這樣那樣的體檢，我們除了具備無損和有損的分析測(cè)試手段外，還具備什么樣的分析方法？易來科得開發(fā)了一系列的單機(jī)理實(shí)驗(yàn)表征方法。比如，高精度的析鋰檢定，我相信做析鋰檢定的專家都比較了解。我們針對(duì)析鋰開發(fā)了一系列的表征分析方法，有非原位的、原位的，有定量的和定性的，通過一攬子的檢查，可以知道析鋰的位置和析鋰新發(fā)的時(shí)刻。
太細(xì)節(jié)的就不多講了，我們?cè)趺慈プ鑫鲣嚈z定，從哪幾個(gè)方面分析，分別對(duì)應(yīng)有化學(xué)的、電的、熱的、機(jī)械的等等。
有哪些化學(xué)/形態(tài)分析的析鋰檢測(cè)方法呢？比如光子、電子、X射線，電磁、中子，甚至我們還做一些中子源，一些很高端的分析，還有直流和射頻的分析等等。
還有一些電性能測(cè)試檢測(cè)析鋰的方法，如三電極分析，電壓差，電阻-容量分析，還有庫倫效率分析等等，這一系列的方法都便于我們可以選擇，如果發(fā)現(xiàn)特殊情況可以多用幾種表征手段來對(duì)比驗(yàn)證。
舉一個(gè)例子，這個(gè)例子很有意思，這是我們針對(duì)析鋰定性和定量表征的結(jié)果，左邊的圖是在仿真里面，我們?cè)趺礃尤ソㄎ鲣嚨哪Ｐ?，中間有一個(gè)實(shí)驗(yàn)跟仿真的對(duì)比（仿真精度很高），右邊還有用NMR進(jìn)行高精度的析鋰量檢定得到準(zhǔn)確的析鋰量。我們一方面反向拆解，通過一系列實(shí)驗(yàn)的手段，來找到析鋰的問題，一方面又正向驗(yàn)證了這個(gè)問題，還要最終解決這個(gè)問題，那要回到我的仿真模型當(dāng)中去，進(jìn)一步正向提出解決這個(gè)問題的方法。所以說兩者要結(jié)合，兩條腿走路。
還有一個(gè)有意思的例子，我們剛剛看到堵孔的電芯照片，本來孔隙率在正常的情況下是15%。后來隨著老化的進(jìn)程，引起了一系列復(fù)雜的副反應(yīng)，由于成膜等負(fù)極的孔隙基本上被堵上了，只有0.4%，這是非常明顯的例子。我們通過構(gòu)建老化機(jī)理模型，把這一系列復(fù)雜的副反應(yīng)考慮進(jìn)去。通過模型可以算出來隨著時(shí)間的變化，電芯在衰老，在“生病”，孔隙率也在在慢慢減小。
還有剛才說到的電解液耗干，通過電解液的測(cè)試，把電解液的量標(biāo)定出來了，同時(shí)可以看到電解液的殘留量跟容量之間是一一對(duì)應(yīng)的。隨著電解液的耗干，容量在衰減。
剛才反復(fù)提到了仿真的事情，易來科得有一項(xiàng)比較自豪的事情是我們發(fā)展了業(yè)界首款基于非均向電化學(xué)模型的仿真設(shè)計(jì)工具，這款工具已經(jīng)在整個(gè)動(dòng)力電池行業(yè)和一些上游的材料廠廣泛推進(jìn)了。長(zhǎng)期來看，我們發(fā)現(xiàn)面對(duì)儲(chǔ)能電池的長(zhǎng)壽命需求，這個(gè)工具和方法同樣適用，包括這種解決方案對(duì)設(shè)計(jì)一款壽命達(dá)標(biāo)的電池也是非常有幫助的。
在仿真里面，他是怎么做的呢？首先是要有一套機(jī)理模型，在通常的仿真電池性能的模型基礎(chǔ)上，要加老化機(jī)理模型，首先SEI成膜反應(yīng)有一個(gè)模型，還有析鋰的模型。通過這個(gè)模型針對(duì)一個(gè)設(shè)定的電池和給一套工況，我們就可以算出來電池的表現(xiàn)怎么樣，SOH什么樣。用來干什么呢？預(yù)測(cè)長(zhǎng)期的容量衰減，捕捉老化中的特異問題，包括跳水、析鋰、堵孔等等，我們能夠看到的這些不想看到的事情。
這個(gè)模型里面主要考慮哪些現(xiàn)象呢？基本上這個(gè)模型是市面上行業(yè)里面最先進(jìn)的模型，考慮SEI成膜、析鋰、堵孔、產(chǎn)氣、電解液耗干、界面膜阻增加，各自的機(jī)理以及它們之間的耦合，所以說這個(gè)模型是一個(gè)有機(jī)的模型，不僅有單特性的包含，也有它們之間耦合關(guān)系的包含。
常規(guī)的仿真結(jié)果，后面還有一些展示，這里面我放了一個(gè)很有意思的例子，這是針對(duì)我們現(xiàn)在用的高硅體系，體積膨脹率特別大，膨脹率一大了起來以后，不僅考慮剛剛所說的六個(gè)主要的負(fù)反應(yīng)，還要考慮體積的形變，對(duì)電池帶來的壽命影響。所以說考慮了電化學(xué)場(chǎng)，考慮了熱場(chǎng)，考慮了種種負(fù)反應(yīng)，在這種體系下，我們還要考慮力場(chǎng)，所以這個(gè)模型是多物理場(chǎng)下非常復(fù)雜的耦合。
通過仿真，我們可以得到一些非常有意思的、實(shí)驗(yàn)里面不能獲得的結(jié)果，而且是能夠以非常小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)。我們跑一個(gè)仿真，用一個(gè)不是很大的電腦，大概是一個(gè)臺(tái)式機(jī)，有16個(gè)核這樣，跑大概十幾個(gè)小時(shí)，就能得到幾個(gè)月測(cè)試才能得到的數(shù)據(jù)，而且這個(gè)精度非常高。我們的BOL誤差在5%以內(nèi)，EOL大概10%以內(nèi)。我用10%誤差的仿真工具就可以預(yù)測(cè)非常好的循環(huán)次數(shù)，這是非常劃算的事。
通過仿真我們能得到什么呢？這些結(jié)果不一定在一個(gè)電芯里面都可以發(fā)生，我們摘取了一些典型代表。如容量的跳水， EIS變化還有預(yù)測(cè)析鋰的先發(fā)位置在哪個(gè)位置上，我們這個(gè)模型都能算出來，哪個(gè)地方的過電位馬上接近0，那個(gè)位置一定是析鋰的先發(fā)位置。還有產(chǎn)氣的先發(fā)時(shí)刻，是從哪開始，氣體開始占據(jù)孔隙，這個(gè)東西是從模型里面可以解析出來的，這個(gè)孔隙里面不是填充電解液而是填充氣體的時(shí)候，我們的模型是能夠預(yù)測(cè)出來什么時(shí)候開始產(chǎn)氣。還有預(yù)測(cè)不同老化路徑對(duì)壽命的影響和析鋰量的預(yù)測(cè)等，從圖中可以看到析鋰量預(yù)測(cè)的很準(zhǔn)。
這是一個(gè)真實(shí)的案例，在不同溫度下，一個(gè)25度，一個(gè)45度，兩個(gè)不同溫度下的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比，可以看到電池在循環(huán)到一定次數(shù)，仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比是非常吻合的，這個(gè)案例的誤差吻合度，是3%。這是一個(gè)典型的不同溫度下循環(huán)容量的衰減曲線對(duì)比圖，循環(huán)次數(shù)是橫軸，SOH是縱軸，通過仿真可以更快速、更便宜的預(yù)測(cè)電芯的壽命。同時(shí)還能看到一些在實(shí)驗(yàn)里面看不到的現(xiàn)象，再往后預(yù)測(cè)，仿真有天然優(yōu)勢(shì)。
用技術(shù)推動(dòng)自己產(chǎn)品力的一種方式，就是實(shí)驗(yàn)加上仿真，在我們研發(fā)的最早期，越早用這種方式，可能我們后面所付出的代價(jià)越小，這是一個(gè)普遍的共識(shí)。謝謝大家！
