清华大学李哲:电池热特性研究
发布时间:2018-03-24 11:14:00
关键词:Li+学社

2018年3月24日,由中国化学与物理电源行业协会与大米平台直属联合主办,天津力神电池股份有限公司重点支持的Li+学社·成就锂享 智信未来(2018)电池技术沙龙第一期:电池安全-从设计到管理,于同济大学汽车学院正式开讲了。清华大学汽车工程系副教授李哲就电池热特性研究与参会人员进行学术分享。


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图为清华大学汽车工程系副教授李哲做课题报告


    李哲:大家上午好,谢谢同济大学魏老师和协会的邀请,今天很高兴跟大家见面。

    我的问题主要是电池热问题,是要讲大型电池的热问题。今天有关时间有限,可能没有办法跟大家介绍一下我们开展科研工作的细节,更多的是谈一下对于电池大型化和热的方法,相关的解决方案大家可以在我们公开发表的论文当中得到具体的讲解。我会分两个部分讲解,一个是讲我们对于电池大型化的理解第二个是讲对于大型电池结构设计中所必须要了解的电池热特性的问题。

    

电池大型化:以我们对大型化的定义相对,首先看一下大家更熟悉的电池,这个大家都很熟悉,最早的1865只能做到1Ah。随着密度越来越高可能做到3-4Ah。它的系统容量一般到10-100WH。相应它的单体能量也比较小,10650圆柱也比较常见。在这个电池上中国产业电池技术非常好,远远早过动力电池产业发展之前,在中国很多企业像CATL、BYD、力神都是非常重要的手机电池供应商。


我的感觉在十年之前,大家在提动力电池,这种用于驱动和储能两种场景的高能量电池系统具有系统大、单体也大的特点,储能大家可以理解用在电网中,在电网中做功率的调整或者和可再生能源放在一起,做一些可再生能源的吸纳。驱动大家最熟悉的就是车辆驱动,像中船重工也在做,飞机也是。大家可能比较熟悉的电飞机概念是多电,而不是电驱动,用的还是传统的发动机,现在我们跟国内新型电飞机,在沈阳试飞了。


由于驱动和储能电池系统以车辆来说,大家熟悉的是带电量是20-50KWH。而储能电站就更多了,相应它的单体容量也在扩大。大型化一个简单的出发点就是希望减少系统的并联数,并联代表着节点增多,可靠性有问题,也代表着连接损耗增加。为减少并联,单体要大。用在汽车当中的单体,混合动力比较小一点,我们最常见的10-50kWH,展会上会见到一些大的,100-200的也有。特斯拉是一个特例,一方面他在电池管理上面有大量的工作要做,对系统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报道,往这些更大的电池上面拓展。


大型化大家的感觉就是容量大,体积大,再更细观的上面有什么不同,我们做系统管理的研究人员做这种定位还很罕见,我们总结了以上四点:


第一点是传质路径增长,简单来说就是锂子和电子,传质路径一般在负极,为了提高能量,电极越囤越厚,几十上百微米。传质电池带来的问题就是传质不高的地方锂子浓度非常高,这样可能会带来电池的提前截止,事实上是能量的一种浪费。


第二点传质的路径增长,这个好理解,这其中也有一个数量级的增加,还有一点更容易被忽视的是电池表面和整个的比较,假如就是一个立方体尺度的比例不变,算出来的这个A/V是跟这个相关的数字,散热的能力正比面积,A/V减小以后电池的散热比较差,第二点和第三点都会造成电池在单体内有一个很大的温度分布。


第四点我们总结为内部并联结构的大量形成。层节式的电池几十片电池片,这是很显著的结构,大型的卷绕式电池内部也有多节点。这是我们对大型化的一些理解。


    大家可以看到,1234点带来的一个主要问题就是电池内部的多种力量都会发生非均匀的浓度,比如等离子浓度,比如温度带来的并联等等,如果能够缓解速度控制来消除这些分布可以很显著的提高大型电池的性能。


应对大型化挑战,国内的动力电池企业做了大量的研发工作,我把它总结为电池设计和电池管理两类:设计是偏电芯厂为主,中国引进了国际上一些非常知名的企业。第二类的工作我把它叫做电池管理,采购电芯了以后怎么把它做成一个好的模块,怎么做成组,有一个组以后怎么添加传感原型的组建,这个工作也在做,一些独立的Pack厂和整车企业更关注。


大学能做什么?我觉得大学更多还是做协助,为企业的产品研发做好协助和服务。大家对比一下中国和日本的产学研的态势,经常有这样的一个概念,日本最先进的科学成果都首先出现在企业里,日产发布了什么,Toyota发布了什么,日本的声音更大一些,在中国相关的技术研究领域,地位更高一些,这种状态应该逐步调整,高校还是做一些非常基础的理论知识,比如大型设备,比如中子介入反应堆,比如一些通用方法模拟的一些软件还有一些模型,可以做这样的协助和服务的工作,企业还是研发的主体。


    我们这里还涉及到电池管理:SOC几十分钟,中等的一个尺寸。考虑到梯次利用以后时间更长,可能是数十年的尺度。电池相关的研究和开发人员做的工作大概集中在哪几个尺度上?


    第一个尺度从小到大是材料的尺度。这里画的是一个单颗粒,数十到数百的纳米。做电极的企业都知道,另外在混料的时候难免会团聚。颗粒形成的团聚体涂附在电极层上,它大概是在100微米的层次。再下一个层次多个电极层通过其他零部件组成的,很多单体串成的一个系统大概在1米,他们都是两两之间相差两个数量极,在这四个层次上都可以做。


    在颗粒上面这部分在电芯厂或者电芯厂的供货商去做,如何完善新材料的制备过程让它变成的廉价高效,这个是典型的材料领域科学家做的事情,这部分工作长期以来是中国电池产业研究的一个重点,甚至大家觉得这个电池发展史就是材料的发展史。过去150年从最早的电池慢慢到锂电池能量密度提高了三到五倍,未来更高的一些甚至更好的电池也有三到五倍的跨越。


    下面还有一个层次它的效率不应该被忽略。尤其是在大型化的基础下,在电极层次一个典型的工作是做一款高功率电极设计,在某一个SOC方面必须要有高质量的体现。升空的那种,这里面有锂电池设计的问题,也有电极制造过程当中的工艺的问题。


    第三个就是单体。单体上我们也和很多企业合作过类似的项目,希望做低温差的单品,希望降低温差,车辆对温差有要求,两度到五度的范围,不要比五度高,如果单体就超过五度这个工作就很难做,电芯厂首先要控制温差。最后是Pack热管理,单体的系统都是能源领域相关的研究问题,大家可以看看它不管是一个多尺度的过程,也是一个多学科的领域。在清华各个系都在争能源这个词。在电机、单体、系统上所要求的学科背景往往更加复杂,像企业招聘员工的时候,十年前要求的材料背景,现在要求的更高了一些,包括机械控制、车辆等等。


    我们讲一下第四个层次的典型工作,这是来自实验室的工作,在电极层我们做这样的一个事情,建立一款模型帮助企业进行开发。从供应商工艺设计的参数,在这个模型里面设计的东西非常有限,很大程度上制约了我们的尝试。我们想做一款趋近于真实的模型,不做平均。另外还希望电极层模型能够跟踪和工艺的革新,做到这个事情。


    我们有一些研究院常年工作在一线,去了解工作的缺陷,跟踪企业各个板块,隔膜的颗粒表面等等。之前的混浆涂抹的方式现在也有一些新的方法出来了,希望把这个电极模型做的真,可以给企业提供这样一种帮助,我可以在模型中试一试。调哪个会优先带来哪方面的效果,如果我想实现哪些特殊的目的可以优先设置哪些东西,我们前期的一些实践表明,不变的电池材料颗粒,材料不动,不变电解液的基本组成,仅仅变的是参数,在能量不降低的情况下,比功率至少还有一倍的差异。如果我们能在设计层次上做一些工作,有一倍就可以了,应该是一个事半功倍的这么一个事情。


    这是一些结果,大家可以看到电池放电过程当中速度控制是不一样的,大家可以看到每一个固体颜色的颗粒是近似的,但是不同层次的颜色差别还是很大,这是液像控制的过程,每一个颗粒很像,但是内部每一个颗粒颜色差异很大,这就是典型的图像控制过程,这个跟参数有关系。


    在单体层次我们做的一件事情简单来讲就是调宏观结构参数,我把它称为3S。十年前我参加中国电池展会看到过几百上千万的一个大单品,为什么现在很少见这些单品呢?为什么大家都选了10-50kWH呢?其实电芯的结构也在不断的成长,圆柱好还是方形卷绕好还是方形折叠的好?尺度假如我做这个形,有什么比例的调整,这些都可以在单体层次的热模型当中得到回答。


    最后一个层次是系统。我们把它分成了大概四类,第一类是分选与组配,电芯厂出厂都要分选,相同、近似的装在一起。现在有一些文献说由于并联的单体处于不同的温度下,就要装不同的温度不同的分配。第二类是电能管理,其中最有特色的就是SOCSOC准确估计的问题,第三点是热管理,电芯厂都提出了我们要做全气候的低温差的单体,我是用空调风还是液冷还是用散热条件还是像日产凌风那样,干脆把整个盒子封起来,什么都不用,在热管理上面有很多的门道可以讲。最后一个就是安全管理,比如故障诊断到底哪一组坏了,这个最近也很火,这是我们对系统工作的一些理解。


    关于电池热问题我是在单体上做的,我就只讲单体热问题,这是我们在单体热问题上整理出来的一个研究思路。我觉得大家可以参考一下,如果在企业内部有一个类似的电池热模拟可以做相应的工作,第一部分是标定物性,最重要的是热物性和产热率。放在一起就是热电模型,有了模型也不足以实现精确的温度模拟,需要一些对边界的精准控制。比如说在实验室条件下电池的接线和导线的装加可能会带来电池热阻,在产品上更多的是焊接的问题,另外电池的研究有一个很重要的特点,不像数理问题,很多是代数,为了实现快速计算,大家在模型的维度和几何处理做一些工作。这个温度分布的准不准还得和测温的结构比一比。这款模型我们起了一个名字叫构效关系模型,电极怎么设计的出来的比重能量化,单体结构怎么设计的,出来的温度怎么样,这是我们做这个模型出来的一个本质。


    我讲三点,我感觉在这个路径上面困难最大的三点。一是热物性,这是一款25AH能量型EV用电池,我们想把它的比热容和导向系数弄在一起。这件事情就是很容易,我们直觉是导热系似乎不是我们电池做的事情,应该到精密仪器系或者热能系用一些已有仪器做。试了三种方案,第一种是串并联,第二种和第三种我们建了两种仪器,一个是Hot disk,另外一种就是氙气和激光闪射的方法,串并联最主要的问题是不便于处理电池之间的热度,在层上很小会发生温度使用的不一样,Hot disk也有这个问题,在非常短的时间内,把热传到这个膜下面的东西,热流根本没有穿过电流本身,现在产生的问题是需要纯干式的极片,或者一丁点的液体,电池本身是一个湿式,不希望破坏它的结构。在这样的情况下我们做了一些方法,我就讲一下结论。这是这款电芯最后得到的比热容和常规系数。导热系数在法相0.25,切项1.25,电池的不同方向是强烈导入易热物性的物质。比如在PVD板上我们也做了类似的尝试,应该是最高的精度。产热率是温度分布的根子,得把产热率标出来,这个可以算也可以量,算的公式企业的工程师都了解,1979年就有了,他把电池的产热最后写成这么一个公式,这里也有两项值得我们标定,测内阻,还有一项是OCA温度的导入,为了算热最后就是算内阻和散热系数,其中散热内阻测量相对变数比较小一点,我们发现不同的测量方法差异很大。稳态方法就是从满到空,持续放电,换几个不同的CC的电流,瞬态方法就是突然断电流,大部分的内阻测量方法都在这两个范畴之内,我们做了一款只有毫安级别的小电极去测稳态方法,我们参考YS,参考所计算的特定产热工况,选择一个跟产热工况类似的时间,这个方法尽量给准态方法的选择提供依据,这是散热,还有量,我可以直接把热量出来。传统的量热器比如热重仪,还有一种叫DSC,动力电池上最常用的是这两类,第一类叫ARC,第二类叫IBC,我想这个大家更熟悉一些,它的特点可以提供一个绝热环节,就是外界对电池的热焦化是0,在ARC中可以做各种的实验,这个东西相对比较新,我们买的是全球的第一台还是第二台的大型芯片,还有一个特点无论你的电池如何放热,都可以直接通过温度的方式把温度恒定了,温度恒定对于我们来说是一个好的环境,我们前面讲到内阻温度敏感,在这种情况下我们测得的产热率是单一特定温度产热率,如果在ARC上面测只能得到一个不准确的温度。


    量热仪器不好用,我们拿一个标准电阻,有这样一个信号,量出来的是这个样子,就是红线,整个量热仪包括放在其中的电芯,时间长度非常大,产热率强动态一大实质就是我们面临的一个主要矛盾,有实质我们就去做修正。第三点想讲一下电池的新型测量,电池研究的主要工具前面讲了是模拟,建立一个新测量方法周期非常长,占用学生的精力非常多,有时候那个结论很多时候都不准确,这种费力不讨好的事情还是少做一做。第一个方面电池预测准不准。第二点就是这种测量有什么本身设计缺陷。在外部到内部对封闭结构的单体从单点上分布。


    举几个例子,这是我们大概五六年前做的一个相对比较吐槽的工作,还是25AH,里面12个特定位置埋热,当时也做了一些工作,尽量减少对周围的反应影响,这个电池很坚持,坚持了几个月,给了我们一些很宝贵的信息。

    

大电池内部有很多并联机构,如果不一致会分布,在现实当中就是测不出来的,怎么办呢?我们就把绝缘耳切出来,确实证明了我们的猜想,电流分布差异非常大。可能是电极板本身制成的差异,也可能是后续的问题。我们做了一款软的聚电压的电路板,一面做了电压,一面做了温度,也是在电池内部做了一些实验,板子的寿命还是有问题的,这个我也在尝试,我们想通过一种外部的方法无损的把电池内部有无异常电流找到。如果不做分割集板怎么办?在周围布了一圈磁场传感器,构建一个磁场出来,以磁测电,目前的进展是电流分布的精度不太好,足以测量内部短路,就是这样的一个进展。


    这就是我们在热问题提出的三个难点,热物性、产热率以及新型的测量方法注重内部测量。


通过建立起的精度还不错的温度模型,我们可以做电池的结构设计,就是我们前面讲的3S的时间参数,时间有限举一个例子,假如给一个约束,我就想做多少容量,多少体积的电池,厚度各个尺度的比例都可以变化,比如隔膜的厚度单层是不变的,我们有多少设计方案呢?这些设计方案的温度控制效果如何呢?横轴是电芯的最高温度,其中一个点就是一套设计方案,我们把这些设计方案带到热量模拟中去得到了电池质量温度和温差,画在这张图上,这张大概一次会有200-500次方案,我们得到了这样一张图,这上面一些点很有趣,首先它是离散的,其中每一个离散的数就是正极的片数。因为有气泡大小,大气泡在上,下气泡在下,它的最高温度偏高,但是温度均匀性还是不错的。还有一个很重要的信息,如果我们把每一个离散最优点,左下角这一块,最优点画出来,这些红色的点,大家可以看到它在这张图呈现出来的就是负性,我们把这个叫做此消彼涨,这是经济学的一个概念,不可能在不牺牲另外一个指标的前提优化这个指标。


    这个图有什么用呢?前面讲了要做单体适宜大小,假如整车企业给我们提了一个要求,我希望电池包或者单体在左下角的曲线当中,通过这个对应容量,我们就能得到在这样的问题要求下,单体电池最高能做到多大,这是一种选定单体对容量的方法,考虑对温升和温差的忍耐能力,这是我们在做电池结构方面的一个例子,在比例包括形状上面还有一些工作。


    今天时间也不够跟大家汇报了,我们总结了一本书《锂离子电池结构设计理论与应用》,这个书是2016年出的,大家要是感兴趣可以供大家参考,主要是单体热问题和单体设计,谢谢大家。


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(根据发言内容整理 未经本人审核)

稿件来源: 大米平台直属
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