新能源汽車(chē)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(chē)上的電池都是非常重要的部件，近些年來(lái)我們開(kāi)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，主要是講電池的一致性和安全性，這些都是大家非常關(guān)心的問(wèn)題。作為一個(gè)科學(xué)工作者，我經(jīng)常會(huì)被問(wèn)到一些問(wèn)題，也是一直在嘗試解決，從中得到了幾點(diǎn)體會(huì)。

 

　　電池在日常生活當(dāng)中確實(shí)是非常重要，我們可以認(rèn)為能源需要儲(chǔ)能、削峰、填補(bǔ)，這些都非常重要，尤其是日常生活當(dāng)中每個(gè)人都帶著好多移動(dòng)電源，最典型的是充電寶，儲(chǔ)能也非常重要�，F(xiàn)在電動(dòng)車(chē)和儲(chǔ)能融為一體了，其實(shí)電動(dòng)車(chē)本身也是儲(chǔ)能，大量地使用電動(dòng)車(chē)可以對(duì)一些新能源和特性不太好的能源拿來(lái)儲(chǔ)能，所以大力發(fā)展新能源汽車(chē)提高能源的利用效率是非常重要的，而且可以帶動(dòng)一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，也可以催生很多新興產(chǎn)業(yè)，這對(duì)企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)是非常重要的。

 

　　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，韓國(guó)的Note7爆炸了，iPhone又鼓脹了，到底是什么問(wèn)題呢?下面我們就來(lái)分析一下。

 

　　過(guò)去手機(jī)電池都是單塊單塊地使用，無(wú)論是大規(guī)模儲(chǔ)能還是基站儲(chǔ)能都需要很多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(guò)串并聯(lián)得到，大家就會(huì)提出一致性的問(wèn)題，如果電池不一致就會(huì)發(fā)生很多問(wèn)題。我把三塊電池并在一起，理想來(lái)說(shuō)應(yīng)該是很平的電流線(xiàn)，電流是平均分配給每個(gè)電池的，實(shí)際情況下每個(gè)電池流不一致，也有差異的特性，電流就不會(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(mǎn)的時(shí)候都會(huì)發(fā)現(xiàn)，早期電流小的最后就會(huì)突然增大，增大減小會(huì)影響電池的發(fā)熱，發(fā)熱不一樣電池系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生不一致的情況，所以并聯(lián)當(dāng)中產(chǎn)生的情況是這樣的。串聯(lián)當(dāng)中的情況優(yōu)惠更嚴(yán)重一些，不一定就會(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(guò)充過(guò)放，會(huì)對(duì)電池有損害并且造成安全性的問(wèn)題，如果控制的話(huà)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)揮是非常不利的。

 

　　目前大家都是通過(guò)容量、電壓等一系列參數(shù)對(duì)電池進(jìn)行篩選，大家希望這些電池的特性是一樣的，但是這些篩選的過(guò)程目前是比較復(fù)雜，而且效果都是局限性的，也有很多的問(wèn)題，有些是由于測(cè)量誤差造成的。我們?cè)O(shè)備的測(cè)量誤差大多數(shù)都是在1%左右，實(shí)際上對(duì)電池的一致性要求是要低于1%的，這樣由于設(shè)備的誤差也造成了一致性的做法完全不能滿(mǎn)足我們的需求。在這種情況下我們就在思考有沒(méi)有一個(gè)比較好的方法解決一致性的問(wèn)題，實(shí)際上充放電曲線(xiàn)本身就體現(xiàn)了所有這些參數(shù)，如果這些參數(shù)不一樣的話(huà)會(huì)體現(xiàn)在充放電曲線(xiàn)不一樣，所以充放電曲線(xiàn)是電池特性非常綜合、非常有用的提示。如果電池理論上所有參數(shù)一樣，那么充放電曲線(xiàn)就應(yīng)該完全一樣。

 

　　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(guò)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，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。串聯(lián)的電流絕對(duì)值相同，因?yàn)橐粋�(gè)電流是完全通過(guò)去的，這樣就可以避免設(shè)備的誤差，因?yàn)殡娏鞯木�度小�?%以下的設(shè)備是非常貴的，通過(guò)串聯(lián)設(shè)備的精度就不要求多高了，所有通過(guò)電池的電流都是一樣的，這樣可以開(kāi)發(fā)出新的一致性篩選的方法，就是基于這樣一個(gè)思路。

 

　　我們選了市場(chǎng)上的五個(gè)典型的電池，兩家韓國(guó)廠商、一家日本廠商，通過(guò)這些電池進(jìn)行一致性的篩選研究。我們要把這個(gè)電池拿來(lái)進(jìn)行稱(chēng)重，發(fā)現(xiàn)稱(chēng)重的誤差是國(guó)內(nèi)廠商和國(guó)外有差距，這個(gè)誤差是最大的，因?yàn)?866電池體積是非常一致的，但重量誤差比較大，體現(xiàn)了制造水平的差異，主要就是對(duì)1866大多數(shù)是注進(jìn)去的電解液的差異，必然造成電池一致性的差異。我們選擇一個(gè)最大的值比較它們的一致性，其它的地方自然就會(huì)減少。

 

　　我們來(lái)看放電的情況，把它放到最低電壓來(lái)看每個(gè)電池的電壓，然后靜止30分鐘來(lái)看回彈的電壓，因?yàn)橐话愣紩?huì)用靜止來(lái)研究電池的阻抗特性，所以靜止回彈的電壓實(shí)際上是電池特性的一個(gè)很重要的因素，這幾個(gè)點(diǎn)也都是在所有曲線(xiàn)電壓當(dāng)中最大的幾個(gè)點(diǎn)，但是這些所有的點(diǎn)我們放在一起比較就會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)放電末端的電壓率散是比較大的，如果用放電末端的電壓來(lái)進(jìn)行一直性的篩選就可以用一個(gè)參數(shù)篩選電池的一致性，這樣的話(huà)應(yīng)該就是非常有效的。

 

　　充電末端和靜止的離散性、最大電壓差和相對(duì)差都比較小，桔黃色的是放電末端，也是比較大的，所以我們用最大偏差的值進(jìn)行一致性篩選，應(yīng)該可以得出電池一致性是最合理的，最后通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)用一個(gè)數(shù)字就可以進(jìn)行一致性的篩選。上面是篩選前的，后面是篩選后的，我們發(fā)現(xiàn)用放電末端篩選，篩選前后最大電壓差和相對(duì)偏差基本上沒(méi)有什么變化，但是放電末端就做了大幅度的減小。篩選前比較大，篩選后就明顯減小了，所以放電末端的電壓進(jìn)行一致性的篩選是比較有效的。

 

　　我們需要一些篩選的閾值，如果用正態(tài)分布的理論篩選，幾家電池特別奇怪，它們并不完全適合正態(tài)分布的規(guī)律，因?yàn)檎龖B(tài)分布是有一個(gè)理論值的。實(shí)際上下一步的研究根據(jù)這個(gè)分布，我們就可以知道一個(gè)電池的廠家產(chǎn)生離散的點(diǎn)大概在哪里，是在制造過(guò)程當(dāng)中有哪些點(diǎn)需要控制，這樣的話(huà)就可以給電池廠進(jìn)行咨詢(xún)，提高它的一致性，針對(duì)性地知道是哪個(gè)環(huán)節(jié)造成了一致性的偏差。

 

　　通過(guò)這些篩選結(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)，所以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)。

 

　　作為一個(gè)結(jié)論，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)槊總�(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。因?yàn)橐恢滦允沁@個(gè)行業(yè)最大的問(wèn)題，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(huà)比較容易進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和比較，設(shè)備電壓也比較高，一般可以做到600-500伏，比較容易把放電的電量回饋到電網(wǎng)。電池的綜合指標(biāo)不完全是正態(tài)分布，工廠的產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)該是正態(tài)分布，不符合的話(huà)我們仔細(xì)分析就可以到工廠知道產(chǎn)生不一樣的點(diǎn)都是哪些，目前來(lái)看日本電池的一致性還是最好的，中國(guó)和韓國(guó)的水平差不多。

 

　　2006年運(yùn)輸飛機(jī)著火，所以現(xiàn)在坐飛機(jī)對(duì)電池有嚴(yán)格的規(guī)定，不能托運(yùn)，車(chē)輛的例子就更多了，2014年杭州的事故非常典型，一輛電動(dòng)出租車(chē)突然就著火了，特斯拉到目前為止已經(jīng)有12起事故了。為什么會(huì)有這些現(xiàn)象呢?我們一直想回答這個(gè)問(wèn)題，鋰電的安全性全世界都很重視，那么多的機(jī)構(gòu)制定了很多標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)都非常的嚴(yán)格，這些產(chǎn)品也都可以通過(guò)這些標(biāo)準(zhǔn)，但還是有事故發(fā)生，所以通過(guò)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(wèn)題。

 

　　我們發(fā)現(xiàn)發(fā)生安全性事故的鋰離子電池之前都是通過(guò)各種認(rèn)證的，而且這種事故是概率性事件，筆記本電腦的電池大概是幾百萬(wàn)分之一到含萬(wàn)分之一，而且都是內(nèi)短路造成的。產(chǎn)生這些事故的電池均是通過(guò)各種檢驗(yàn)的合格品，而不是次品，為什么合格品會(huì)發(fā)生這些事故?分析下來(lái)我們發(fā)現(xiàn)，目前這些標(biāo)準(zhǔn)都是拍腦袋定出來(lái)的，沒(méi)有科學(xué)依據(jù)，并沒(méi)有回答電池著火的問(wèn)題。

 

　　安全性到底是什么概念?我們可以分成兩類(lèi)：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(guò)充、短路、加熱、火燒，實(shí)際上電池發(fā)生安全性的事故也都是一樣，馬路上開(kāi)著開(kāi)著就著了，和這種都沒(méi)有關(guān)系，所以我們就叫現(xiàn)場(chǎng)安全性，由于特定的電池內(nèi)部的特征造成內(nèi)短路發(fā)生，所以二者之間基本沒(méi)有關(guān)系。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(guò)測(cè)試進(jìn)行評(píng)估可以做到可控。自引發(fā)的事件不可以預(yù)測(cè)，不知道什么時(shí)候著火，目前沒(méi)有任何方法可以完全消除，比如三里屯的車(chē)著火都很大，所有目前的手段都不能完全克服。二者之間由于沒(méi)有關(guān)系，所以目前的感測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不能完全消除電池的安全性問(wèn)題。

 

　　波音787電池出事，大家也都知道，美國(guó)人非常有錢(qián)，著火以后美國(guó)人就把電池拿來(lái)分析，一個(gè)分析花了三千萬(wàn)美金，每平方公里都要觀察，這個(gè)工作量非常大，通過(guò)兩三年的觀察，最后找到了著火點(diǎn)，是其中的一個(gè)電池卷鉸附近的孔洞，可能是在工廠里面的鍍鋅管里面的一塊鋅掉下來(lái)了，跑到了電池里面，最后造成了內(nèi)短路。很多的因素都有可能造成內(nèi)短路，但有些是可以克服的，有些是目前很難克服的。

 

　　舉個(gè)例子，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(guò)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)金屬制晶，我們可以做這個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明這個(gè)理論，就是在做電池的過(guò)程當(dāng)中正極撒上一些不銹鋼的粉，電池裝完了以后拆開(kāi)，我們就發(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(guò)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(wèn)題，必須把充電電流放得很低，常溫下也不能太高，一般來(lái)說(shuō)對(duì)石墨負(fù)極正常設(shè)計(jì)的話(huà)，它的充電分水嶺是1C，超過(guò)1C都會(huì)有鋰電泄出。很多人開(kāi)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(guò)1小時(shí)充電都會(huì)有問(wèn)題。Note750%的事故都和它有關(guān)系，因?yàn)樗��?5分鐘充電。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。

 

　　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(guò)程當(dāng)中鋰就過(guò)不去，會(huì)在周?chē)�沉積，這樣就比較容易形成鋰枝晶。比如我們做鈕扣電池中間有一個(gè)隔膜，然后用很硬的金屬把中間使勁擠壓，這個(gè)隔膜的孔就被擠壓掉了，我用這個(gè)隔膜來(lái)裝電池，鋰在這個(gè)地方就過(guò)不去，右邊的是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也是國(guó)產(chǎn)隔膜一直賣(mài)不上價(jià)格，這些細(xì)節(jié)的問(wèn)題沒(méi)有解決使得電池的事故率比較高，空氣當(dāng)中的隔膜掉到上面都會(huì)產(chǎn)生這樣的情況。特斯拉為什么經(jīng)常著火?因?yàn)殡姵匮埠降倪^(guò)程當(dāng)中都會(huì)有膨脹收縮，擠破以后就會(huì)著火，所以1866電池做的車(chē)風(fēng)險(xiǎn)是不可消除的，1866的事故率是最高的。作為專(zhuān)家我們?nèi)ヌ幚韲?guó)家的電動(dòng)車(chē)著火事故，90%以上都是1866的電池。

 

　　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。我們到工廠去看現(xiàn)場(chǎng)有什么問(wèn)題，包括設(shè)計(jì)、制造和管理要特別注意的點(diǎn)，所以我去了一個(gè)工廠幾次以后它的事故率就大幅度降低了。電池出來(lái)以后我們還可以做一些CT來(lái)看它的設(shè)計(jì)，因?yàn)镹ote7里面有大概30%的事故是由于制造的過(guò)程當(dāng)中有一個(gè)地方有一個(gè)瑕疵，通過(guò)CT掃描可以看得到這個(gè)瑕疵。我們可以通過(guò)最容易產(chǎn)生事故的關(guān)鍵指標(biāo)，比如低溫析鋰、負(fù)極金屬沉積來(lái)測(cè)試，課題組通過(guò)幾年的研究發(fā)現(xiàn)可以找到一個(gè)方法評(píng)估電池這一類(lèi)的事故，評(píng)估了多家企業(yè)。我們發(fā)現(xiàn)一家日本的電池到目前為止的事故率非常低，評(píng)估當(dāng)中它的指標(biāo)值也是最低的，我們處理了好幾個(gè)燃燒事故，它的指標(biāo)確實(shí)是挺高的，其中一家企業(yè)給了經(jīng)費(fèi)讓我評(píng)估，發(fā)現(xiàn)它的結(jié)果和韓國(guó)差不多，但和日本還是有差距。只要科學(xué)家不斷努力，應(yīng)該還是可以不斷提高，這些評(píng)估可以反饋到工廠提升管理水平。

 

　　當(dāng)然，如果我們把電池做得更安全，事故率就會(huì)更低。我們要理解電池發(fā)生事故以后內(nèi)部到底發(fā)生了什么，內(nèi)短路Trigger，發(fā)熱以后就會(huì)有一系列的反應(yīng)，這些反應(yīng)不斷地把電池溫度升高，最后發(fā)生了熱失控，所以我們叫它發(fā)熱的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。在這種情況下，我們想把每個(gè)泛熱搞清楚，然后看到里面有那么多的放熱反應(yīng)。150度有一個(gè)最大值，這就是熱箱實(shí)驗(yàn)可以對(duì)電池的熱穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估的最好參數(shù)，現(xiàn)在好像對(duì)三元電池幾乎還沒(méi)有廠家能夠通過(guò)我們得到的產(chǎn)品來(lái)看，通過(guò)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)了一些新的材料，使這個(gè)電池比較穩(wěn)定，最后可以進(jìn)行短路實(shí)驗(yàn)、過(guò)充電實(shí)驗(yàn)、穿刺實(shí)驗(yàn)等等，證明這個(gè)方法是把電池作為安全可行的路徑。

 

　　我們認(rèn)為，一致性蟬聯(lián)篩選方法可以簡(jiǎn)單、快捷、有效地進(jìn)行篩選，通過(guò)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，所以日本的制造業(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�平。通過(guò)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。