中國儲能網(wǎng)訊：2017年4月24-26日，第七屆中國國際儲能大會在蘇州香格里拉大酒店圓滿召開，來自中、美、英、德、澳、日、韓等國家的1400余位嘉賓到場參會。大會共邀請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，中國儲能網(wǎng)將向讀者傳遞本次大會最具價(jià)值的聲音。
大會期間，廣州鵬輝能源科技股份有限公司動力電池研究院項(xiàng)目總監(jiān)吳金波，在“電動汽車與動力電池專場”，以《動力電池的熱效應(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：我叫吳金波是來自鵬輝動力研究院。我代替我們院長劉建生分享一下鵬輝動力研究院在熱效應(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)入到了檢測標(biāo)準(zhǔn)序列里面，鵬輝針對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。第二個方面是針對目前高鎳系列的材料我們在設(shè)計(jì)的時候把熱效應(yīng)考慮在內(nèi)。第三個我們就簡單的介紹一下關(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有污染這些特點(diǎn)，但是在充放電的過程中會發(fā)生放熱，這個熱量的集聚就會導(dǎo)致失控過程，首先熱量集聚會導(dǎo)致溫度上升，溫度上升的過程當(dāng)中會影響反應(yīng)速率，反應(yīng)速率反過來又會使溫度進(jìn)一步上升這樣相互影響最終就導(dǎo)致熱失控，如何來抑制呢？我們就要了解這三個方面的內(nèi)容。
我們了解它的產(chǎn)熱，它是怎么釋放的。比如說電池當(dāng)中會發(fā)生正極分解，負(fù)極與正極反應(yīng)都會產(chǎn)生一些熱量。第二個我們要講清楚熱釋放是怎么進(jìn)行熱釋放的過程，第三個就是使用環(huán)境這個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這兩個溫度確立了失效到最后產(chǎn)生失效的效果。電池當(dāng)中會產(chǎn)生這么多反應(yīng)都會有熱量釋放，我們怎么去監(jiān)測熱量的釋放呢？目前好多高校和研究所都做過試驗(yàn)，這是來自清華課題組他們做的研究，他們研究了每一個反應(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怎么對單體也好還有模組、系統(tǒng)進(jìn)行熱失控分析，怎么建立一個模型？這是一個比較重要的問題，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，第二個方面是通過電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)建立起來的，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主動反映的反應(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方面，我就簡單的介紹一下具體整個推導(dǎo)過程就不詳細(xì)說了，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)上這個圖簡單模擬了12C電池在3C倍率下放電結(jié)束的時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地方是溫度最高的，往往是這個地方開始引起的放熱產(chǎn)生熱失控。第三個模型是目前在系統(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測試，在155度的情況下D50H90電池在64分鐘的時候首先由正極跟電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生時效，通過這個反應(yīng)我們也可以看出具體到電池內(nèi)部哪個反應(yīng)是起到熱失控的主導(dǎo)，哪個是先發(fā)生、哪個后發(fā)生。具體我們怎么監(jiān)控每個反應(yīng)熱量多少、能夠?qū)е抡麄€單體或者系統(tǒng)的溫室多少，我們主要是采用ARC來進(jìn)行監(jiān)測，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)的說明。針對不同材料體系的電池我們做了ARC試驗(yàn)當(dāng)中可以看到第一個材料體系，可以看到SOC在25%的時候是比較好的，就是熱失控溫度比較高，75%的時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溫度影響不是特別明顯，這個電池體系、這個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，未來我們就比較追求這個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在研究熱效應(yīng)當(dāng)中需要考慮到的。還有就是我們關(guān)于186502500毫安時的電池，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)從白色電池被動升溫的過程到電池的自放熱過程然后再繼續(xù)升溫又是一個被動加熱過程，基本上材料內(nèi)部是沒有變化不會失效。但是當(dāng)你隨著SOC升高的時候就會發(fā)生黑色條塊的部分是會發(fā)生失控的。還有我們可以看到下面這個圖關(guān)于不同SOC狀態(tài)下存儲時間在100度的溫度下進(jìn)行存儲可以看到當(dāng)SOC是零的時候壓降不是特別明顯，因?yàn)椴粫a(chǎn)生失控。隨著SOC增高在很容易電壓就下降下來了，通過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，我們電池的儲存環(huán)境是什么樣子。比如說我們在什么樣的溫度儲存能夠保證它的電壓變化很小，比如說這個在0%的時候電壓變化就很小。
具體到電池系統(tǒng)當(dāng)中整車上電池在進(jìn)行PACK的時候裝備間隙和連接模式，比如說采用M型的連接還是S型連接這對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)行熱失控測試，當(dāng)采用在電池系統(tǒng)里面的傳熱有多個方面，比如說可以通過輻射還有熱傳導(dǎo)還有通過快捷鋁牌這些來進(jìn)行傳導(dǎo)。一個電池發(fā)生失效電池溫度升高對周圍的電池在整個系統(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候我們對它加熱時效的時候其實(shí)對其他電池溫度的影響，可以看到。這里M型和S型進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)S型效果是比較差的，我們在進(jìn)行電池的時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比較明顯的。這個電池在100%和50%的時候一個電池失效對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)，包括我們怎么選擇模型、怎么進(jìn)行熱量分析。第二個方面是針對高鎳材料我們做的工作，主要是對811和622這兩個材料對它進(jìn)行了測試，我們對它進(jìn)行涼熱分析，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)SOC設(shè)置在0%的時候這種811是具有比較好的溫度效應(yīng)的，這是前面時間段比較詳細(xì)的輸入，同樣我們對國外三元也做了相關(guān)系列的熱失控，通過這個試驗(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?，?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到。
接下來第三個方面講一下我們鵬輝目前比較關(guān)注熱失控這塊，簡單介紹一下熱控管理體系。首先從安全設(shè)計(jì)跟評估來說我們覺得我們的理念是安全設(shè)計(jì)和評估在預(yù)防熱失控里引起爆炸的問題中是發(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Ω吣芰棵芏鹊碾姵赜幸粋€新的布局，目前動力3.1電池上都有新的進(jìn)展。比如說我們對原材料具體到原材料拿硅碳來說對應(yīng)每一個硅顆粒在充放電過程中溫度變化是什么樣我們都會做一個比較基礎(chǔ)的研究，像這個我們就模擬了充放電過程當(dāng)中每個顆粒的溫度上分布，這個可以看到跟中心點(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單的了解到。第二個方面就是對于電池的整體我們通過DSC來測試溫升，比如說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。另一方面是對鋰離子電池我們對它內(nèi)部進(jìn)行模擬可以發(fā)現(xiàn)每個局部點(diǎn)的發(fā)熱傳導(dǎo)是什么樣子的，我們目前動力研究院都比較關(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、集流體比如說你采用多厚的膜這些都對散熱有影響的，目前通過添加RFA當(dāng)把電解液的溫升可以從70度左右降到40多度，另外通過對集流體表面進(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。還有就是再簡單介紹一下目前鵬輝在高鎳三元動力電池取得的進(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安時到2.8安時的。第三個方面是循環(huán)性的展示，動力電池三元在2.4安時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，基本上所有的動力電芯都是從河南那邊滿足客戶的需求，我們業(yè)績也是在上漲，銷售額在8個億左右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)品在市場上有智能穿戴都有相關(guān)的產(chǎn)品，還有在動力上對電動工具發(fā)展和無人機(jī)輪船都有，大家可以相應(yīng)的了解一下鵬輝。還有在儲能方面也是這次大會的主題，在儲能方面我們對分布式微網(wǎng)儲能這些都有相應(yīng)的研究。最后簡單的說一下，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題我們都會幫你們搞定。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，感謝各位。
（本文根據(jù)現(xiàn)場錄音整理，未經(jīng)本人審核）
