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中航锂电安全策略“揭秘”

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动力电池安全正在成为电动化进程中最大的“灰犀牛”,也是电池企业攻坚克难的方向。

近日,中航锂电电池研发部负责人郭其鑫深入分享了中航锂电不起火动力电池及技术的设计奥秘,阐述了中航锂电安全领域的开发方向和进展。

作为装机量稳居前三的实力派选手,中航锂电依靠对电池安全的深刻理解,在制造严谨、材料稳定、体系匹配、结构系统和预警有效等5方面共同打造了完整的电池安全体系,形成了“优制造,缺陷少”、“抗缺陷,耐热强”、“产热慢,放热少”、“隔热准,散热快”、“准,发现早”的产品特点,具备独一无二的安全技术优势。

通过工程化的方法,化繁为简,郭其鑫重点介绍了动力电池起火中关键问题与应对方法。

一是热安全问题根源。

简单而言,热安全问题起源于异常产热。一个异常集中产热点可能导致电池内部的连锁反应,而在缺少有效阻断措施的情况下,连锁反应就会在整个电池包上不断发生,从而最终导致整车的安全事故。

异常产热的出现则是因电池缺陷产生,往往也是导致一系列连锁反应的最终源头。这种缺陷主要来自三个方面,一、制造过程即存在,出厂未检测到的制造缺陷;二、使用过程中因可靠性问题导致的劣化缺陷;三、事故或不正确使用导致的滥用缺陷。

那么缺陷如何引发安全问题,则需要重点了解产热或失效机理。异常热量来源有内短路、外短路导致的焦耳热,也有材料分解、界面反应等引起的化学热,而在当前的材料体系下,绝大多数的起始异常产热都因内短路引起,尤其是负极嵌锂石墨-铝箔的短路模式。

这种短路模式的产热速率与危害度远高于其他类型,这也是当前导致安全问题的最主要原因,包括壳内异物、极耳翻折、模切不良均有可能导致这种短路模式。因此,中航锂电很多工作都是以此为重点去开展分析及预防。

二是中航锂电多维度热安全解决方案。

要彻底避免热安全问题,必须要从起点预防、电芯加固、系统阻断和预测预警等多个维度进行全面布防。

第一个维度是“起点预防”,指如何避免初始缺陷的产生,尤其是制造缺陷,进而避免初始异常产热点。

中航锂电根据制造过程去寻找缺陷可能产生的路径,从失效机理来分析缺陷造成的后果严重度,进而去分解、确定管控点。

每个电芯生产制程的管控点多达数千项,中航锂电凭借行业领先的制造和检测能力,以及最严谨的管理方法来保障出货产品的质量。其策略是,从源头,依靠设计创新来减少需要管控的点,在起点上解决和避免问题。

2020年,中航锂电推出“DBW”全极耳极简直连技术,省去极耳模切工序,从设计上避免模切残留等缺陷,并有助于提升极耳胶强度,该技术目前已在叠片全系产品上导入,客户应用反馈十分良好。

2021年,中航锂电发布的“One-Stop Bettery”更将创新设计理念贯彻到底,回归目标和功能本质对电池进行重新设计和整合。第一代“One-Stop Bettery”就将叠片、入壳、焊接、包膜等装配段十道工序,通过设计优化整合为三道工序,彻底避免壳内异物、电芯夹伤等缺陷发生,从起点提升电池产品的安全性能。

第二个维度是“电芯加固”,指如何在电芯材料和化学体系层面改进,使电池的热稳定性更高、对缺陷的容忍程度更高。

首先在正极材料设计上,众所周知,高镍材料的热稳定性差,中低镍材料的热稳定好。但影响正极材料热性能的因素远不止元素比例,包括前驱体的颗粒设计、铝钛钨锆等各种元素的掺杂和包覆设计以及烧结工艺,均会对材料的结构稳定性和界面稳定性造成很大影响。

中航锂电正极材料正是基于这些精细化定制设计,具备了优异的安全性表现。

同等镍钴锰比例电池,其产品对于微短路的包容能力、剧烈产热温度起始点都有明显提升,失控的总产热量也大大下降。正是基于对材料设计的深刻理解,找到高镍材料安全的解决方案,中航锂电坚定的提出下一代高能量密度9系正极材料,将电池能量密度推向350Wh/kg。

除正极材料外,电解液和材料体系的搭配对于电池安全性同样至关重要。

合理的体系搭配会提高初始的产热温度、降低反应的总放热量,同时延缓甚至阻断连锁的放热反应。为此,中航锂电做了大量的分析和试验,来解耦正负极材料、电解液溶剂、添加剂在热性能上的影响关系,找到里面的关键影响因子,再根据这些影响因子,正向进行最佳的体系搭配设计。

通过前两个维度的措施,中航锂电已经可以将电池的热安全问题发生几率降到很低,但若追求彻底的零安全事故,还需要一道屏障,也就是第三个维度——系统阻断。

第三个维度是“系统阻断”,主体在于“疏堵结合”,也就是隔热和散热共同实现热连锁反应阻断。

弹夹电池、大禹电池等均是基于疏堵结合理念和方案而来。中航锂电2019年就明确提出了“大禹治水,有疏有堵”的想法,并将其作为高能量密度三元电池热失控抑制的解决思路。

2020年三季度其已经拿出成熟的方案来支撑主机厂,跟中航锂电深度合作的各主机厂已经在全系新车型中导入完毕。

阻断方案实现后,中航锂电进一步追求如何更高效,即如何制定最合理的阻断方案,通过最低的能量密度损失、最少的额外成本付出来实现,这要求企业具备非常深厚的正向定量设计能力。

2021年,中航锂电基于对于传热学基础理论的灵活应用、热失控机理的认识、材料体系级别的分析、电池级别新评价方法的开发以及大量的实验数据积累,自建了专用的热失控抑制仿真计算工具,以及全套的从材料级别,到电芯级别、系统级别的仿真、设计和验证方法。

正是因为有这样定量的正向设计能力,才保证了中航锂电能够提供最高效的热抑制解决方案。

第四个维度是“预测预警”,通过前三个维度的措施,已经能够把“热安全事故”降低为一般故障了,但中航锂电希望能够更早的发现故障,在故障发生之前实施维保措施从而提升用户体验。

为此,中航锂电建立了自己的大数据平台,目前已接入80000多辆车的运行数据。

基于该平台,其通过进行大量正向的缺陷植入、异常模拟实验,探测不同缺陷对应的数据表现,并基于此开发了对应的故障算法。接下来还会基于模型训练不断校正和修正,并开发新算法来更精准的实现预测预警。

与此同时,中航锂电还在建立数字电池平台,实现从原材料到制造全过程再到应用全过程的数据链进行打通,更高效、更准确的实现电池全生命周期的故障预防和价值拓展。

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