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SAECCE 2020 | 颜辉:面向未来固态电池的正向设计

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SAECCE 2020 | 弗迪邓林旺:全生命周期数字化电池管理系统

2020中国汽车工程学会年会暨展览会(SAECCE 2020)于2020年10月27-29日在嘉定上海国际汽车城-上海汽车会展中心举办,汇聚汽车及相关行业的企业高层、技术领军人物、资深专家学者、广大科技工作者。10月29日,天目湖先进储能技术研究院有限公司智能制造中心主任颜辉在本次大会上发表了主旨演讲。

 以下为演讲实录:

大家下午好,今天我给大家汇报的题目是面向未来固态电池的正向设计。

电池发展历史,其实也是一个能量密度不断提升的过程,从路上可以看到能量密度的提升本身是逐步渐进的过程,而且逐渐遇到了发展的瓶颈。如果要下一步进一步提高能量密度,到300、400瓦时每公斤需要一些新的技术路线。

从汽车行业来讲对动力电池的需求存在着像续航、安全、成本和资源的四大焦虑,要回应这四大焦虑,我们传统的业态锂离子电池是存在科学上的短板,提升能量密度的同时功率密度会降下来,能量密度、功率密度不能做到同步的提升。第三个就是电芯层面上,传统液态锂离子电池是可以发生失控的,这块是一些基础的科学问题,很难通过工业的手段去解决。液态锂离子电池继续把能量密度做高的话,在短期内会有一些技术手段,比如做材料的改性,优化工艺设计等等。我们要根本解决这些问题,而且保障长期的解决需要到固态电池这样的技术路线。

目前来讲比较主流的全固态电池主要是四种类型,分别是聚合物型的,薄膜和硫化物、氧化物型的,主要的差别在于固态电池方面的差异,这边绿色的是每种固态电池类型的优点,红色的是缺点,目前全固态电池每种类型的电池都有相对应的优点也有缺点,也有科研院所和企业在探索,究竟哪种固态电池可以满足车规级的动力电池对于高能量、高安全、快充、长寿命包括成本这一系列的要求,这个还是一个未知数,现在还未可知。

要做好固态电池,要考虑到一个最重要的问题就是解决固态电解质的问题,要设计一个兼顾力学性质,包括锂离子电导率,化学稳定性,做到平衡的固态电离子。但是对于主流的固态电池,这几种类型都不能做到很好的兼顾,所以还是需要进一步的去探索。

当然在全固态电池的开发过程中我们也面临了一些问题,包括比如说固固接触的问题,成核位置电话问题,包括热稳定性的问题,这些问题目前在固态电池开发过程当中都非常具体,目前也有针对解决这些问题的一些技术方向,这边也做了一些展示。

刚才谈到的更多的是全固态电池,我们认为液态电池目前是要往高里做能量密度,把它往上提升,包括有安全性方面的考虑。全固态电池也面临着一些现状,有一些现在的问题点,我们来判断在一段时间内还是需要中间有一个过渡阶段,就是混合固液的锂离子电池,这里面还有部分或者是少量的电解液,电解液还不能完全被取代,也可以称之为是半固态或者准固态这样一个叫法。

中科院物理所的陈力全院士团队有一个比较悠久的在锂电池方面研究和产业化的一个历史,我们也是中科院物理所产业化其中的一环。

物理所对固态电池的解决方案是一个基于原位固态化的混合固液电解质还有全固态电解质电池的解决方案,核心的理念就是保留了部分电解液,但是会把电解液还是通过注液的方式加入电池内部,用这个来解决电极和电解质之间固固界面的接触问题。然后它后续会通过化学或电化学的一个反应把这一部分固态电解质目前就是可以部分转化成固态电解质,把这个液态电解质转化成固态电解质,下一步是要全部转化成一个固态电解质,它是变成了一个固态电池,最终的形态也是固态电池,但是又很好解决了界面的问题,这样就可以综合平均高电压、安全性包括体积膨胀的问题。

我们天目湖先进储能技术研究院是中科院物理所在锂电池方面的一个研究平台,主要是覆盖了从机理的失效分析到测试分析,到智能制造还有工程放大全链条的一个技术服务,这我们的定位。

我们研究院目前是建成了包含固态电池在内的针对于全电池的一些测试和失效分析,包括数字化的仿真和信息化建设的工程服务,还有一个是工程放大的能力,研究院也配置了中试线,可以做各种形态的电池,我们跟科学家合作,建立了一些前瞻技术的开发,针对固态电池有两个方向,一个是来自哈佛大学的吴凡研究员,主要是在做全固态电池硫化物的一个研究,还有一个是复旦大学的老师在做全固态的薄膜电池的相关的研究工作。

我们也在跟西门子工业软件合作,建了一个先进电池技术创新中心,在江苏溧阳,想通过集合行业的一些优质资源,来解决锂电池的一些数字化的问题。

二、固态电池产品与技术设计需求。

固态电池在做成组的时候如果用到目前比较先进的CDP或者是刀片电池的技术,它的比能量有望做到255瓦时/kg,如果是使用到目前也在处在一个比较前沿的结构化电池的技术,这个比能量有望进一步提升,我们把电池包的结构件也赋予一些功能的属性,比如说电化学或者是散热的一些属性。物理所的孵化企业北京未来是目前在做固态电池的技术开发和产业化的工作。

对于固态电池我们也列出了一些针对于电芯和模组和PACK层面的开发目标,我们也匹配了一些相应的关键技术,这个是需要产业界还有学界的各方面专家大家一起来努力把这个事情往前推。

要把固态电池往高性能和稳定性方面做还是需要突破很多的核心技术,这边主要是精准控制界面离子输运和反应,控制反应电位,需要不同的学科来实现整体的合作来把这件事情往前推进,数字化技术是其中比较重要的一个环节。

三、固态电池正向设计思路。

首先就是正向设计,其实是一个产品设计开发的方法论,从咱们汽车行业来讲,就是把整车的开发需求去往下拆分,比如说涉及到动力电池这块,就是把整车的需求分配到动力电池系统PACK这块需求是怎么样的,需做分解。然后从PACK再往模组做分解,模组再往电芯做分解,电芯再往材料做分解,是层层分解的过程。同时V字型,分解完以后在逐步的每一个部件或者是材料级、零部件级系统层面再去做相应的一些验证,最后来反馈到跟我们这个需求的开形成一个闭环。

我们这边也整理了对于这块正向开发的一个思路,目前在固态电池正向开发过程当中,在材料层面有低层原理计算的数字化技术,有电极和多物理场耦合建模的技术,在我们电芯或者是模组或者PACK层面上有宏观的热分析、结构分析相关的技术,在整个的系统层面上有一维相关技术,这是基于不同尺度的分解。当然固态电池相比液态电池在数字化分析方法上的差异主要是体现在材料层级和电芯模型的层级,在系统层面上是比较类似的,会把它作为一个零件。

再谈到材料层级,我们目前是可以应用计算材料学的方法来实现固态电池比较关注的离子传输、晶体结构、电子结构、界面性质和向转变、力学性质相关的一些问题,我们自己有一个孵化企业叫鸿阳智能,本身目前在固态电池方面有过一些探索,就是我们在应用了一些计算材料学的方法和工具,对材料电学性能方面的影响和调控方面,包括界面电化学的性质研究方面,还有固态电解质材料的筛选方面有过一些点状的应用,当然这个目前要大规模铺开可能还是有一定的难度。

我们目前也有一般电芯正向设计的软件,这个软件目前第一个版本已经开发出来了,是目前可以用来做高比能电芯体系的一个设计,下一步我们会把这个固态电池的一些功能也放进来。

刚才谈到材料层面和软件层面,在电芯层面的模型,整个电极和电芯电化学过程和建模这个层面来讲也分享一下我们的理解,固态电池他的电化学模型跟液态电池是有差别的,液态电池基于多孔电极的理论,电化学反应是在电极内部任意位置的活性材料的表面发生的,固态电池跟它是有差别,是不一样的,固态电池是一个平面电极模型,电化学反应也是位于电极和电解质的一个界面上。另外就是固态电池比液态电池会更关注应力对性能的影响,电解质是液体,体积膨胀应力就比较容易被释放,但是固态电池是固固的界面。

固态电池这块仿真的基本理论主要有四个方面,第一个是锂离子的传质过程,第二个是电荷传递过程,这两个是电化学的过程,电化学过程当中会伴随力学的因素,需要电化学和力学因素做耦合。第三个是线弹性力学的过程,主要是应对一些反应过程中的应力问题,还有界面反应动力学的过程,这四个过程都是基于普世的,中间基于四点假设来推出的一个理论。

固态电池在建模仿真的时候是存在一些难点的,主要的挑战是集中在电极和电解质界面的描述方法方面。这块主要是分成两个难点,第一个难点,我们刚才的假设,这边有一个电中性的假设,电极和电解质之间的界面其实它是有一个空间电荷层的,是不遵循电中性假设的,我们是为了模型的简化做的假设,如果基于电中性的假设我们可能得到的模型精度会打折扣,所以要把空间电荷层的因素要考虑进来,目前这个难点在哪里呢?空间电荷层的仿真方法目前在科学层面上还没有一个统一的认知,大家还是处在一个有非常多的理论来解释,但是还没有形成一个统一的认知。第二就是电极电解质界面的反应动力学,会受到界面应力的影响,其实我们刚才的假设有一点在考虑第四个问题的时候不考虑应力的影响,但是实际上这个应力是存在的,但是这个界面的反应动力学应力的描述本身也是没有统一的方法,这两点会比较难一些。

分享几个固态电池仿真的一些案例,第一个是电极内应力的预测,左边的图展示了用仿真软件对固态电池的结构做了一个建模,建模以后我们再做一些运算以后会发现它这个内应力,电极内部的应力主要是有两方面,一方面是电解质分解引起的应力,另一块是活性材料在锂离子脱线过程中变形引起的应力,左下角的图蓝色指的是一个压应力,红色指的是拉应力,我们的结论就是通过仿真的方法可以看到压应力主要集中在界面的问题,这边是固态电解质和电极之间的一个界面。

分享的第二个案例就是性能预测和内阻的分析案例,这个案例对于电池放电过程中电压的预测和内阻方面的预测,这块目前是可以实现一定的精度的。

最后一个是基于热管理的结构设计的案例,这个案例就是对于固态电池这边是给出了三种不同的结构类型,一种是交错型,一种是同心型,第三种是沟渠型,我们分别对这三种不同结构的电池对电极的倍率放电性能做了一个预测,也对它的温度分布和采热功率做了一个模拟,可以看到最后一个一个结构的固态电池红色是最多的,红色代表温度比较高,表示这种结构它的温度最不容易释放,这种结构是不好的一个结构。目前来讲固态电池的仿真分析的方法还是处在发展过程中,我们这些案例也是比较点状的案例,包括固态电池的研究目前还是处在比较前沿,需要一段时间的探索。

今天我就分享到这里,谢谢大家。

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(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅作为参考资料,请勿转载!)

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