中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2017年4月24-26日，第七屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)在蘇州香格里拉大酒店圓滿召開，來(lái)自中、美、英、德、澳、日、韓等國(guó)家的1400余位嘉賓到場(chǎng)參會(huì)。大會(huì)共邀請(qǐng)140余位行業(yè)專家與企業(yè)代表，圍繞產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)話題，發(fā)表了一系列精彩演講，中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)將向讀者傳遞本次大會(huì)最具價(jià)值的聲音。
大會(huì)期間，廣州鵬輝能源科技股份有限公司動(dòng)力電池研究院項(xiàng)目總監(jiān)吳金波，在“電動(dòng)汽車與動(dòng)力電池專場(chǎng)”，以《動(dòng)力電池的熱效應(yīng)研究》為題發(fā)表演講，現(xiàn)將演講主要內(nèi)容發(fā)布，以饗讀者。
廣州鵬輝能源科技股份有限公司動(dòng)力電池研究院項(xiàng)目總監(jiān)吳金波
吳金波：我叫吳金波是來(lái)自鵬輝動(dòng)力研究院。我代替我們?cè)洪L(zhǎng)劉建生分享一下鵬輝動(dòng)力研究院在熱效應(yīng)這塊做的試驗(yàn)工作。剛才孫立清主任提到了熱失控目前進(jìn)入到了檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)序列里面，鵬輝針對(duì)熱失控也做了一些工作。今天報(bào)告的內(nèi)容主要分為這幾方面，第一個(gè)是熱行為研究，是從熱失控機(jī)制或者熱模型建立講的。第二個(gè)方面是針對(duì)目前高鎳系列的材料我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候把熱效應(yīng)考慮在內(nèi)。第三個(gè)我們就簡(jiǎn)單的介紹一下關(guān)于熱失控這塊做的比較有特色的管理體系。首先我們知道鋰離子電池能量密度大輸出功率比較高沒(méi)有污染這些特點(diǎn)，但是在充放電的過(guò)程中會(huì)發(fā)生放熱，這個(gè)熱量的集聚就會(huì)導(dǎo)致失控過(guò)程，首先熱量集聚會(huì)導(dǎo)致溫度上升，溫度上升的過(guò)程當(dāng)中會(huì)影響反應(yīng)速率，反應(yīng)速率反過(guò)來(lái)又會(huì)使溫度進(jìn)一步上升這樣相互影響最終就導(dǎo)致熱失控，如何來(lái)抑制呢？我們就要了解這三個(gè)方面的內(nèi)容。
我們了解它的產(chǎn)熱，它是怎么釋放的。比如說(shuō)電池當(dāng)中會(huì)發(fā)生正極分解，負(fù)極與正極反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生一些熱量。第二個(gè)我們要講清楚熱釋放是怎么進(jìn)行熱釋放的過(guò)程，第三個(gè)就是使用環(huán)境這個(gè)圖就比較明顯的電視了這一方面的內(nèi)容。它的熱釋放遵循牛頓定律。大家可以看到在不同的溫度下ABC三種溫度下其中A是能夠在A的溫度下釋放跟產(chǎn)熱能夠控制的，B跟C這兩個(gè)溫度確立了失效到最后產(chǎn)生失效的效果。電池當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生這么多反應(yīng)都會(huì)有熱量釋放，我們?cè)趺慈ケO(jiān)測(cè)熱量的釋放呢？目前好多高校和研究所都做過(guò)試驗(yàn)，這是來(lái)自清華課題組他們做的研究，他們研究了每一個(gè)反應(yīng)隨著溫度的升釋放出的熱量大概是多少，我們可以看到在150度左右這是電池達(dá)到失控關(guān)鍵溫度，我們知道電池種類很多我們?cè)趺磳?duì)單體也好還有模組、系統(tǒng)進(jìn)行熱失控分析，怎么建立一個(gè)模型？這是一個(gè)比較重要的問(wèn)題，目前電池很多包括單體環(huán)型、圓柱這些各種各樣的根據(jù)客戶的要求比如說(shuō)容量達(dá)到多少、電壓達(dá)到多少組裝成不一樣的系統(tǒng)，目前針對(duì)這些不一樣的電池和不一樣的系統(tǒng)住的熱失控?zé)崮Ｐ徒⒅饕腔谶@兩種方法，第一種方法可以分析電池內(nèi)部包括正極材料、正極變負(fù)極隔膜的熱性能，第二個(gè)方面是通過(guò)電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)建立起來(lái)的，我們可以看到如果我們要采用第二種方法就是要知道每個(gè)主動(dòng)反映的反應(yīng)速率，這是比較麻煩的。目前建立的模型主要是包括這三個(gè)方面，我就簡(jiǎn)單的介紹一下具體整個(gè)推導(dǎo)過(guò)程就不詳細(xì)說(shuō)了，大家可以參照一些文獻(xiàn)這些都可以找到。早期主要是模擬電池內(nèi)部從中心到表面鏡像的溫度分布，第二種模型是二維基于定律的基礎(chǔ)上這個(gè)圖簡(jiǎn)單模擬了12C電池在3C倍率下放電結(jié)束的時(shí)候電池在平面下的分布。大家可以看到其實(shí)不是中間的溫度最高是靠近中間的那個(gè)地方是溫度最高的，往往是這個(gè)地方開始引起的放熱產(chǎn)生熱失控。第三個(gè)模型是目前在系統(tǒng)中比較重要的三維模型，從這里可以看到采用這種模型我們做了一個(gè)測(cè)試，在155度的情況下D50H90電池在64分鐘的時(shí)候首先由正極跟電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生時(shí)效，通過(guò)這個(gè)反應(yīng)我們也可以看出具體到電池內(nèi)部哪個(gè)反應(yīng)是起到熱失控的主導(dǎo)，哪個(gè)是先發(fā)生、哪個(gè)后發(fā)生。具體我們?cè)趺幢O(jiān)控每個(gè)反應(yīng)熱量多少、能夠?qū)е抡麄€(gè)單體或者系統(tǒng)的溫室多少，我們主要是采用ARC來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，目前ARC設(shè)備我在這里就不詳細(xì)講了，還有工作模式都有相關(guān)的說(shuō)明。針對(duì)不同材料體系的電池我們做了ARC試驗(yàn)當(dāng)中可以看到第一個(gè)材料體系，可以看到SOC在25%的時(shí)候是比較好的，就是熱失控溫度比較高，75%的時(shí)候熱失控溫度比較高，能夠比較好的穩(wěn)定性。還有B的話隨著溫度升高在這里面對(duì)溫度影響不是特別明顯，這個(gè)電池體系、這個(gè)材料體系下是比較穩(wěn)定的，不管是在25%還是在75%熱失控溫度基本上都是能夠達(dá)到156的，未來(lái)我們就比較追求這個(gè)不論電池是什么樣子我們的熱系統(tǒng)是比較穩(wěn)定的。還有是隨著溫度的升高電壓和電阻變化這些都是我們?cè)谘芯繜嵝?yīng)當(dāng)中需要考慮到的。還有就是我們關(guān)于186502500毫安時(shí)的電池，我們可以看到不同的SOC下放熱反應(yīng)是不一樣的。當(dāng)它在0%的時(shí)候內(nèi)部不復(fù)生隨著溫度升高到250度是不發(fā)生內(nèi)失控，內(nèi)部的反應(yīng)從白色電池被動(dòng)升溫的過(guò)程到電池的自放熱過(guò)程然后再繼續(xù)升溫又是一個(gè)被動(dòng)加熱過(guò)程，基本上材料內(nèi)部是沒(méi)有變化不會(huì)失效。但是當(dāng)你隨著SOC升高的時(shí)候就會(huì)發(fā)生黑色條塊的部分是會(huì)發(fā)生失控的。還有我們可以看到下面這個(gè)圖關(guān)于不同SOC狀態(tài)下存儲(chǔ)時(shí)間在100度的溫度下進(jìn)行存儲(chǔ)可以看到當(dāng)SOC是零的時(shí)候壓降不是特別明顯，因?yàn)椴粫?huì)產(chǎn)生失控。隨著SOC增高在很容易電壓就下降下來(lái)了，通過(guò)這方面的研究我們可以考慮電池的工作環(huán)境是什么樣子，我們電池的儲(chǔ)存環(huán)境是什么樣子。比如說(shuō)我們?cè)谑裁礃拥臏囟葍?chǔ)存能夠保證它的電壓變化很小，比如說(shuō)這個(gè)在0%的時(shí)候電壓變化就很小。
具體到電池系統(tǒng)當(dāng)中整車上電池在進(jìn)行PACK的時(shí)候裝備間隙和連接模式，比如說(shuō)采用M型的連接還是S型連接這對(duì)熱效率是比較有影響的。剛才孫主任也提到我們把電池組裝在一起進(jìn)行熱失控測(cè)試，當(dāng)采用在電池系統(tǒng)里面的傳熱有多個(gè)方面，比如說(shuō)可以通過(guò)輻射還有熱傳導(dǎo)還有通過(guò)快捷鋁牌這些來(lái)進(jìn)行傳導(dǎo)。一個(gè)電池發(fā)生失效電池溫度升高對(duì)周圍的電池在整個(gè)系統(tǒng)里面是有影響的，具體的影響是什么樣子可以看到當(dāng)我們采用M類型的連接裝備在一毫米的時(shí)候我們對(duì)它加熱時(shí)效的時(shí)候其實(shí)對(duì)其他電池溫度的影響，可以看到。這里M型和S型進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)S型效果是比較差的，我們?cè)谶M(jìn)行電池的時(shí)候要考慮到裝配的方式還有裝配肌理。我們可以看到這是2毫米和4毫米溫度的變化影響不是特別大，但是1毫米跟2毫米大家可以試一下影響是會(huì)比較明顯的。這個(gè)電池在100%和50%的時(shí)候一個(gè)電池失效對(duì)周圍電池的變化影響也是有不一樣的，以上的內(nèi)容是關(guān)于熱效應(yīng)基礎(chǔ)研究的總結(jié)，包括我們?cè)趺催x擇模型、怎么進(jìn)行熱量分析。第二個(gè)方面是針對(duì)高鎳材料我們做的工作，主要是對(duì)811和622這兩個(gè)材料對(duì)它進(jìn)行了測(cè)試，我們對(duì)它進(jìn)行涼熱分析，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)SOC設(shè)置在0%的時(shí)候這種811是具有比較好的溫度效應(yīng)的，這是前面時(shí)間段比較詳細(xì)的輸入，同樣我們對(duì)國(guó)外三元也做了相關(guān)系列的熱失控，通過(guò)這個(gè)試驗(yàn)我們就知道我們目前做的電池?zé)崾Э販囟却蟾攀窃诙嗌伲瑑?nèi)部的反應(yīng)放的熱量和溫度升高是怎么變化的這些都可以檢測(cè)到。
接下來(lái)第三個(gè)方面講一下我們鵬輝目前比較關(guān)注熱失控這塊，簡(jiǎn)單介紹一下熱控管理體系。首先從安全設(shè)計(jì)跟評(píng)估來(lái)說(shuō)我們覺(jué)得我們的理念是安全設(shè)計(jì)和評(píng)估在預(yù)防熱失控里引起爆炸的問(wèn)題中是發(fā)揮著比較重要的作用，目前的話鵬輝想引進(jìn)硅碳材料因?yàn)槲覀冡槍?duì)高能量密度的電池有一個(gè)新的布局，目前動(dòng)力3.1電池上都有新的進(jìn)展。比如說(shuō)我們對(duì)原材料具體到原材料拿硅碳來(lái)說(shuō)對(duì)應(yīng)每一個(gè)硅顆粒在充放電過(guò)程中溫度變化是什么樣我們都會(huì)做一個(gè)比較基礎(chǔ)的研究，像這個(gè)我們就模擬了充放電過(guò)程當(dāng)中每個(gè)顆粒的溫度上分布，這個(gè)可以看到跟中心點(diǎn)的距離不一樣，它的溫度變化是什么樣子的我們都可以簡(jiǎn)單的了解到。第二個(gè)方面就是對(duì)于電池的整體我們通過(guò)DSC來(lái)測(cè)試溫升，比如說(shuō)SEM的分解是熱量的多少我們都可以，還有就是關(guān)于負(fù)極材料、正極材料的分解。另一方面是對(duì)鋰離子電池我們對(duì)它內(nèi)部進(jìn)行模擬可以發(fā)現(xiàn)每個(gè)局部點(diǎn)的發(fā)熱傳導(dǎo)是什么樣子的，我們目前動(dòng)力研究院都比較關(guān)注這一方面。前面提到了理論上從基礎(chǔ)上和模型上了解，我們具體到電芯設(shè)計(jì)當(dāng)中必須涉及到電解液的選取、集流體比如說(shuō)你采用多厚的膜這些都對(duì)散熱有影響的，目前通過(guò)添加RFA當(dāng)把電解液的溫升可以從70度左右降到40多度，另外通過(guò)對(duì)集流體表面進(jìn)行改進(jìn)可以提高散熱，這方面都是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)展的階段。還有就是熱完全體系當(dāng)中另一個(gè)方面就是隔膜，隔膜是防止電池?zé)崾Э赜行У牟考?。目前主要是開發(fā)耐高溫一系列的隔膜。還有就是再簡(jiǎn)單介紹一下目前鵬輝在高鎳三元?jiǎng)恿﹄姵厝〉玫倪M(jìn)展，這是2.5A和2.8A在25度下0.3C充放點(diǎn)溫度變化曲線，大家可以看到進(jìn)行鵬輝熱管理技術(shù)基本上是比較小的，無(wú)論是2.5還是2.8基本上都是在27.5%左右，還有就是溫升變化控制在一度以內(nèi)，這是我們目前鵬輝正在主推的2.5安時(shí)到2.8安時(shí)的。第三個(gè)方面是循環(huán)性的展示，動(dòng)力電池三元在2.4安時(shí)55度1C條件下充放電性能，我們可以看到它的循環(huán)次數(shù)保持率是在80%以上的。之前提到有些企業(yè)或者有些高校的研究產(chǎn)品當(dāng)中溫度是能夠在168度以上，但是目前我們也能夠達(dá)到這個(gè)水平，我們2001年建立到2002年在珠海工業(yè)園2011年改名，然后2013年在河南，基本上所有的動(dòng)力電芯都是從河南那邊滿足客戶的需求，我們業(yè)績(jī)也是在上漲，銷售額在8個(gè)億左右2016年基本上我們翻了一番直接在16億以上。這些主要是跟什么有關(guān)呢？跟我們鵬輝專注電池化學(xué)電源研發(fā)生產(chǎn)跟銷售是密切相關(guān)的，目前一次電池我們包括了這幾種，二次電池就比較多了，這些產(chǎn)品都可以在鵬輝找到相應(yīng)的。還有就是PACK系統(tǒng)我們這些都有涉及。目前關(guān)于消費(fèi)類的產(chǎn)品在市場(chǎng)上有智能穿戴都有相關(guān)的產(chǎn)品，還有在動(dòng)力上對(duì)電動(dòng)工具發(fā)展和無(wú)人機(jī)輪船都有，大家可以相應(yīng)的了解一下鵬輝。還有在儲(chǔ)能方面也是這次大會(huì)的主題，在儲(chǔ)能方面我們對(duì)分布式微網(wǎng)儲(chǔ)能這些都有相應(yīng)的研究。最后簡(jiǎn)單的說(shuō)一下，鵬輝是什么樣的企業(yè)？是專業(yè)專注的電源設(shè)計(jì)企業(yè)，是追求卓越品質(zhì)管理體系，另外是一站式的電源解決方案，能夠?yàn)榭蛻籼峁┮徽臼降碾娫唇鉀Q方案，你們到了鵬輝基本上所有的電源問(wèn)題我們都會(huì)幫你們搞定。我們還有良好的成本控制體系，這是大家比較公認(rèn)的。我的報(bào)告主要是以上這些內(nèi)容，最后再次感謝組委會(huì)，感謝各位。
（本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錄音整理，未經(jīng)本人審核）
