中航鋰電如何打造硬核產(chǎn)品力----解密不起火電池及技術(shù)的設(shè)計(jì)奧秘

　　2021年10月21日，以“汽車(chē)+X，雙碳背景下汽車(chē)科技創(chuàng)新”為主題的2021中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)暨展覽會(huì)(SAECCE 2021)在上海汽車(chē)會(huì)展中心舉辦。此次會(huì)議結(jié)合汽車(chē)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化的發(fā)展趨勢(shì)，深度探討如何快速推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，重塑新型產(chǎn)業(yè)格局。

　　中航鋰電電池研發(fā)部負(fù)責(zé)人郭其鑫受邀參會(huì)并作主題報(bào)告，深入分享了中航鋰電不起火動(dòng)力電池及技術(shù)的設(shè)計(jì)奧秘。

　　以下是演講全文：

　　很榮幸能夠有這次機(jī)會(huì)跟各位專(zhuān)家、各位同仁交流分享。作為國(guó)內(nèi)最低調(diào)的實(shí)力派電池企業(yè)，中航鋰電近一年多的裝機(jī)量穩(wěn)居國(guó)內(nèi)前三，其中三元電池排名前二。有這么高且穩(wěn)定的裝機(jī)量一定是基于各主機(jī)廠對(duì)我們的認(rèn)可，其中非常重要的一個(gè)原因則是中航鋰電電池的安全表現(xiàn)，可以說(shuō)是頭部電池企業(yè)里最優(yōu)秀的?，F(xiàn)在我就跟大家分享一下中航鋰電在電池安全方面的開(kāi)發(fā)方向和進(jìn)展。

　　電動(dòng)汽車(chē)、動(dòng)力電池為什么會(huì)起火，很多高校的課題組都在做這方面的研究，有很多非常有價(jià)值的學(xué)術(shù)成果，我今天則會(huì)偏重于用工程化的方法，化繁為簡(jiǎn)，用更通俗易懂的語(yǔ)言來(lái)把其中的關(guān)鍵問(wèn)題和應(yīng)對(duì)方法講明白。

　　電動(dòng)汽車(chē)熱安全問(wèn)題根源

　　簡(jiǎn)單來(lái)講，熱安全的問(wèn)題起源于異常產(chǎn)熱，一個(gè)異常集中產(chǎn)熱點(diǎn)就可能導(dǎo)致電池內(nèi)部的連鎖反應(yīng)，而在缺少有效阻斷措施的情況下，這個(gè)連鎖反應(yīng)就會(huì)在整個(gè)電池包上不斷發(fā)生，從而最終導(dǎo)致整車(chē)的安全事故。正常運(yùn)行的高品質(zhì)電池是不會(huì)出現(xiàn)這種異常產(chǎn)熱的，而異常產(chǎn)熱的出現(xiàn)是因?yàn)槿毕莸拇嬖?。缺陷主要?lái)源于三個(gè)方面：一是制造過(guò)程即存在，而出廠未檢測(cè)到的制造缺陷;二是使用過(guò)程中因可靠性問(wèn)題導(dǎo)致的劣化缺陷;三是事故或不正確使用導(dǎo)致的濫用缺陷。這些缺陷往往才是導(dǎo)致后面一系列連鎖反應(yīng)的最初起點(diǎn)。缺陷是如何導(dǎo)致安全問(wèn)題的，那就需要簡(jiǎn)單講一下主要的產(chǎn)熱或失效機(jī)理。異常熱量來(lái)源有內(nèi)短路、外短路導(dǎo)致的焦耳熱，也有材料分解、界面反應(yīng)等引起的化學(xué)熱，而在行業(yè)當(dāng)前的材料體系下，絕大多數(shù)的起始異常產(chǎn)熱都是由于內(nèi)短路引起的，尤其是負(fù)極嵌鋰石墨-鋁箔的短路模式。這種短路模式的產(chǎn)熱速率與危害度遠(yuǎn)高于其他類(lèi)型，這也是當(dāng)前導(dǎo)致安全問(wèn)題的最主要原因，像殼內(nèi)異物、極耳翻折、模切不良都可能導(dǎo)致這種短路模式，所以我們很多工作都是以這個(gè)為重點(diǎn)去開(kāi)展分析和預(yù)防。

　　多維度解決熱安全難題

　　要徹底避免熱安全問(wèn)題，必須要從起點(diǎn)預(yù)防、電芯加固、系統(tǒng)阻斷和預(yù)測(cè)預(yù)警等多個(gè)維度進(jìn)行全面布防。

　　第一個(gè)維度——“起點(diǎn)預(yù)防”，主要是指如何避免初始缺陷的產(chǎn)生，尤其是制造缺陷，從而避免初始異常產(chǎn)熱點(diǎn)。我們根據(jù)制造過(guò)程去尋找缺陷可能產(chǎn)生的路徑，從失效機(jī)理來(lái)分析缺陷造成的后果嚴(yán)重度，從而去分解、確定管控點(diǎn)。每個(gè)電芯生產(chǎn)制程的管控點(diǎn)有數(shù)千項(xiàng)，中航鋰電憑借行業(yè)領(lǐng)先的制造和檢測(cè)能力，以及最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓芾矸椒▉?lái)保障出貨產(chǎn)品的質(zhì)量。但只要需要去管控，就仍然存在管控失效的風(fēng)險(xiǎn)。那該怎么辦?我們從源頭，依靠設(shè)計(jì)創(chuàng)新來(lái)減少需要管控的點(diǎn)，在起點(diǎn)上解決和避免問(wèn)題。中航鋰電在2020年推出的“DBW”全極耳極簡(jiǎn)直連技術(shù)，省去了極耳模切工序，從設(shè)計(jì)上避免模切殘留等缺陷，并有助于提升極耳膠強(qiáng)度，該技術(shù)目前已在疊片全系產(chǎn)品上導(dǎo)入，客戶(hù)應(yīng)用反饋十分良好。在今年全球新能源汽車(chē)大會(huì)發(fā)布的“One-Stop Bettery”將創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理念貫徹到底，回歸目標(biāo)和功能本質(zhì)對(duì)電池進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和整合。其中第一代“One-Stop Bettery”就將疊片、入殼、焊接、包膜等裝配段十道工序，通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化整合為三道工序，從而徹底避免殼內(nèi)異物、電芯夾傷等缺陷發(fā)生，從起點(diǎn)提升電池產(chǎn)品的安全性能。

　　第二個(gè)維度——“電芯加固”，主要指如何在電芯材料和化學(xué)體系層面進(jìn)行改進(jìn)，使電池的熱穩(wěn)定性更高、對(duì)缺陷的容忍程度更高。首先正極材料的設(shè)計(jì)，大家可能有一些認(rèn)識(shí)，高鎳材料的熱穩(wěn)定性差，中低鎳材料的熱穩(wěn)定好。但其實(shí)影響正極材料熱性能的因素遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止元素比例，前驅(qū)體的顆粒設(shè)計(jì)、鋁鈦鎢鋯等各種元素的摻雜和包覆設(shè)計(jì)以及燒結(jié)工藝，都會(huì)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和界面穩(wěn)定性造成很大影響。中航鋰電的正極材料正是基于這些精細(xì)化定制設(shè)計(jì)，才造就了優(yōu)異的安全性表現(xiàn)。同樣鎳鈷錳比例電池，中航鋰電產(chǎn)品對(duì)于微短路的包容能力、劇烈產(chǎn)熱溫度起始點(diǎn)都有明顯提升，失控的總產(chǎn)熱量也大大下降。正是因?yàn)閷?duì)材料設(shè)計(jì)的深刻理解，找到高鎳材料安全的解決方案，我們才敢堅(jiān)定的提出下一代高能量密度9系正極材料，將電池能量密度推向350Wh/kg。

　　除了正極材料外，電解液和材料體系的搭配對(duì)于電池安全性也至關(guān)重要。合理的體系搭配會(huì)提高初始的產(chǎn)熱溫度、降低反應(yīng)的總放熱量，會(huì)延緩甚至阻斷連鎖的放熱反應(yīng)。在這里面我們做了大量的分析和試驗(yàn)，來(lái)解耦正負(fù)極材料、電解液溶劑、添加劑在熱性能上的影響關(guān)系，找到里面的關(guān)鍵影響因子，再根據(jù)這些影響因子，正向進(jìn)行最佳的體系搭配設(shè)計(jì)。

　　通過(guò)前兩個(gè)維度的措施，我們已經(jīng)可以將電池的熱安全問(wèn)題發(fā)生幾率降到很低了，但是如果追求徹底的零安全事故，我們還需要一道屏障，這就要講到第三個(gè)維度——系統(tǒng)阻斷。

　　第三個(gè)維度——“系統(tǒng)阻斷”的主體在于“疏堵結(jié)合”，也就是隔熱和散熱共同實(shí)現(xiàn)熱連鎖反應(yīng)阻斷。這個(gè)大家一定都不陌生，因?yàn)榻衲?ldquo;彈匣電池”、“大禹電池”等也都做了很多宣傳。其實(shí)很高興看到行業(yè)各家都在大力氣宣傳，因?yàn)樗砹诵袠I(yè)對(duì)這種疏堵結(jié)合理念和方案的認(rèn)可。中航鋰電在2019年就明確提出了“大禹治水，有疏有堵”的想法，并將其作為高能量密度三元電池?zé)崾Э匾种频慕鉀Q思路。2020年三季度我們就已經(jīng)拿出了成熟的方案來(lái)支撐主機(jī)廠，跟我們深度合作的各主機(jī)廠現(xiàn)在已經(jīng)在全系新車(chē)型中導(dǎo)入完畢。

　　在阻斷方案實(shí)現(xiàn)之后，我們現(xiàn)在追求的是如何更高效，即如何制定最合理的阻斷方案，用最低的能量密度損失、最少的額外成本付出來(lái)實(shí)現(xiàn)，這需要非常深厚的正向定量設(shè)計(jì)能力。我們?cè)?021年，基于對(duì)于傳熱學(xué)基礎(chǔ)理論的靈活應(yīng)用、熱失控機(jī)理的認(rèn)識(shí)、材料體系級(jí)別的分析、電池級(jí)別新評(píng)價(jià)方法的開(kāi)發(fā)以及大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，自建了專(zhuān)用的熱失控抑制仿真計(jì)算工具，以及全套的從材料級(jí)別，到電芯級(jí)別、系統(tǒng)級(jí)別的仿真、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法。正是因?yàn)橛羞@樣定量的正向設(shè)計(jì)能力，才保證了中航鋰電能夠提供最高效的熱抑制解決方案。

　　最后一個(gè)維度是“預(yù)測(cè)預(yù)警”。通過(guò)前三個(gè)維度的措施，我們已經(jīng)能夠把“熱安全事故”降低為一般故障了，但我們還希望能夠更早的發(fā)現(xiàn)故障，可以在故障發(fā)生之前實(shí)施維保措施從而提升用戶(hù)體驗(yàn)。中航鋰電建立了自己的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，目前已接入80000多輛車(chē)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。在這里，我們通過(guò)進(jìn)行大量正向的缺陷植入、異常模擬實(shí)驗(yàn)，來(lái)探測(cè)不同缺陷對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表現(xiàn)，并基于此開(kāi)發(fā)了對(duì)應(yīng)的故障算法。接下來(lái)會(huì)基于模型訓(xùn)練不斷校正和修正，并開(kāi)發(fā)新算法來(lái)更精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)預(yù)警。另一方面，我們正在建立數(shù)字電池平臺(tái)，將從原材料到制造全過(guò)程再到應(yīng)用全過(guò)程的數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行打通，更高效、更準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)電池全生命周期的故障預(yù)防和價(jià)值拓展。

　　最后簡(jiǎn)單總結(jié)一下，中航鋰電依靠對(duì)電池安全的深刻理解，在制造嚴(yán)謹(jǐn)、材料穩(wěn)定、體系匹配、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和預(yù)警有效等五個(gè)方面共同打造了完整的電池安全體系，形成了“優(yōu)制造，缺陷少”、“抗缺陷，耐熱強(qiáng)”、“產(chǎn)熱慢，放熱少”、“隔熱準(zhǔn)，散熱快”、“預(yù)測(cè)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)早”的產(chǎn)品特點(diǎn)，從而造就了中航鋰電產(chǎn)品獨(dú)一無(wú)二的安全技術(shù)優(yōu)勢(shì)。最后，希望在未來(lái)的日子里，能夠與各位行業(yè)同仁有更多的交流與合作，一起為新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為“雙碳”目標(biāo)達(dá)成貢獻(xiàn)應(yīng)有的力量，謝謝。

　　中航鋰電不起火動(dòng)力電池及技術(shù)的分享，吸引了業(yè)界人士的高度關(guān)注，現(xiàn)場(chǎng)干貨滿(mǎn)滿(mǎn)的分享收獲了電池專(zhuān)家及行業(yè)代表的熱烈反響。

　　中航鋰電聚焦“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，堅(jiān)持實(shí)施“產(chǎn)品與技術(shù)領(lǐng)先戰(zhàn)略”，大力開(kāi)展自主研發(fā)的同時(shí)，與產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴協(xié)同創(chuàng)新，持續(xù)打造產(chǎn)品力領(lǐng)先，全力成就零碳新時(shí)代，用“芯”創(chuàng)造美好未來(lái)。