清华汽车工程系李哲：从结构设计与制造技术上如何提升电池性能

由中国化学与物理电源行业协会储能应用分会、中国科学院电工研究所储能技术研究组主办的“第二届储能电池技术发展方向研讨会”于9月9日在北京召开。本次大会主题为“聚焦低成本、长寿命、高安全、易回收”。能见App全程直播此次会议。

清华大学汽车工程系副教授、博士生导师李哲出席大会并发表了题为“ 电池设计与制造技术进展”的主旨演讲。

以下为演讲实录：

李哲：各位来宾、各位老师、各位企业界朋友大家下午好！我先简单介绍一下我自己，我来自清华大学汽车系，我们团队在新能源汽车上有这样几块主要布局，围绕新能源汽车动力系统开展了混合动力系统燃料电池，储能和充电相关的系统研究，动力电池和他的系统团队，我从事研究工作是电池的设计和制造，偏工程。我们服务的对象也是国内动力电池生产企业，动力电池生产设备的企业。

电池的性能到底是材料引起的，或者说主要的贡献者是材料，还是说在工程上，系统上还有一些事情可以做。我们在大概十年之前接触到一个国际上比较新的进展，这个实验叫做单颗粒实验，大家知道一般的充放电都是针对至少一个电池单体进行的，这个是日本有一位学者，通过一个机器探针进行实验，通过单颗粒实验他发现一个颗粒在120C下放电，容量保持还有80%。从120C到3C有两个量级差别，有这样基本感觉，电池的性能，材料固定重要，但是如何把好的材料构成好的构建，进而构成好的系统依然很重要。为此我们做了一些定量化的对比。

从材料革新对电池性能的影响角度，大概从铅酸电池到现在锂离子电池，过去这150年，大概从能量密度这个指标来看，提高了3-5倍，这是非常大的一个进展，也是很多做电池材料研究的学者一直用的图。如果保持材料不变，在工程上做一些事情，我们做的这个事情是在电极层次的微观结构层次一些优化，比如说颗粒的大小，比如颗粒和材料隔膜，以及颗粒本身界面上做一些工作，以及孔系列的设计，包括非均匀的梯度化设计，对电池的倍率性能大概有多少影响，我们做的实验，模拟上的也有实验上的，通过电极微观的结构优化，不改变任何材料，对它的大倍率放电能力大概有一倍，前面150年5倍，现在我们大概半年时间做了一些实验，大概2倍，我们觉得这个事情成本比较小，过程比较快，总体来讲是一个优上加优的事情，值得做。所以我们把这个研究方向定义成了既有体系上做工程学的优化设计。

在电池工程这么一个关键词上分成了电池设计和制造两个环节分别进行研究。电池工程研究前面讲了，不是做新材料，我们不能做新的硅碳材料，如何做好的电极，如何把好的电极构成好的单品，是多大的，单个电池的容量。以及构成系统，用在动力或者储能的领域，这是我们研究开展的一个主要尺度，在后三个量级上。先看一下电池设计的工作，我们在电池设计上做了一个目标分解，大家知道造出来一个好电池，问题很难回答，我们这个更多还是从车的角度来看，分成了四类。

第一类在材料不变的情况下，搭配能量，熟悉电池设计的学者可能了解到，比能量比功率是此消彼涨的关系，整体往右上角移动。

第二个设计目标是低温升低温差，主要要求做大以后产生的，咱们笔记本用的18650，大概能看到两度左右的温差。车上的电池，常见的扁扁的电池，1C条件下，最高有十几度的温差。这么大单体内部温差对他的寿命带来非常大的影响，安全性带来非常大的影响，造低温升低温差的单体，第二个设计目标。第三个设计目标是长寿命，第四个设计目标车的使用有关，希望它耐撞，在这四个目标分解下，针对每一个目标要分别就电池相关的建模，而且因为针对设计而不是仅仅性能模拟，希望这个模拟越接近真实情况越好，这样一些模型。

在电化学模型我们做了一个工作，基于真实的材料和结构的电化学模型，大家如果用一些电池相关的工具可能就知道，很多这种仿真软件中植入一些电池模拟的这些模块，他们的一些模型主要是美国有一个教授开发了模型，这个模型已经用了20多年，做性能模拟，输出一些曲线，相对比较精确，设计有点不够。它是实际物料可以选择的状态，正极要做复合，或者物理上的复合，负极要用一些新的碳材料，电池内部很多分布，颗粒不一样大，孔隙里有差异，不光关心这个离子传输，关心电子传输，另外可以还原工艺，事实上在模型建立过程中工艺最困难及，一旦有工艺上的进步，最终表达出来这是很困难。在颗粒表面包覆，新的化学物质层对离子传输有什么影响，很多基础工作要做。基于这样款式电化学模型，做了一些应用工作，一定程度上可以改变电池的比能量，比功率。很多不同的设计造成速度控制不同。

第二部分设计工作是扩大了一个层次，在单体这个层次，需要的模型是热模型，为了建立一款精细的热模型，高精度的热模型，也要做很多技术工作，要把不同结构，不同材料电池技术表示出来，是不是有很多导热测量仪，在软包结构上来讲，他的精度非常长。为此我设计了一些新的方法，市面上大部分结构的系数。以铝塑膜软包来看，穿越面的方向是导热强的物质。除了导热系数，还有容量标定，所在的环境产生的化学系数标定，热模型准不准，看你预测温度准不准，电池大了以后内部温度和表面温度也有很大差别，怎么无损安全的把电池内部各点温度找出来，做了测量学的开发，最终我们是借助一款高精度的热模型，设计了几款电池的3S参数，这是我们对单体做的一些工作，设计目标是低温升低温差。

老化的这个研究还不像电和热这么好讲，很难预测能跑八年还是跑十年，做了老化机理研究。重点是研究两件事情，一个是衰减，如何通过原位的方法，实时的方法，把微量的衰减找出来，做了一些方法开发。

第三个关注的机理是跳水，到生命后期有一部分电池会出现容量的快速下降，把这个叫跳水，跳水之前有没有征兆，能不能预测出来。跳水也是怎么找出一些有效的表征手段，左下角工作是我们合作者做的一些工作，他做的也很细致，研究他们之间的变化，这个也作为寿命预测的一些依据。

第四个关注的设计性能是耐撞性，这个工作不是我做的，是周青教授做的，他们课题组在电池包碰撞实验上做了大量工作，今年有第一轮博士生毕业，有一些结论性的结果。给大家简单分享一下，给了两个耐撞性建议，在单位提出层次，耐撞主要相关部件是隔膜，长径都在一个方向更容易发生短路。模组层次给了建议，每隔一段距离设计一个孔，或者是焊接一个特殊部件，或者是打一个孔，这样能把这个单个方向的碰撞裂孔撕裂转成另外一个方向，他这个思想借鉴于大家知道远洋的货轮耐撞问题，下面有很多仓，这些仓不要一撞到底，大家都进水就要沉了，中间截断它。

我在电池设计上做了一些工作，主要服务于国内电池厂的一些需求，一个实例我们把国内电池厂在两款电芯上做滚辊压工艺优化，如果这种中间密的两边疏的结构变均匀了，或者倒过来，中间疏两端密怎么样，做了一些模拟，事实上证明如果把第一种方案改成第三种方案，中间疏松，从而很好的帮助企业把这款电芯从一般的扩展到一个快充的车厂。实现工艺也比较复杂，需要多重去公开。

国内的一个电芯厂，纯电动飞机装配电池，这是一个通航的飞机，大概能飞3000米高空，2017年时候已经首飞了，卖了几十架。飞机上做改造越来越困难，车辆加速或者爬坡超车大概20秒就够了，飞机不够从地上升空到三千米，必须把电池在大SOC下的高倍率放电时间拉长，企业做了很多工作，一个事情有点困难，打不通，从电极设计角度，给一些设计意见，最后装机了。

单体层次帮助国内最主要电芯厂设计了十几款电芯，有软包的，有硬壳的，最小的25AH，最大的42AH，重新设计电池尺度比例，最大温升降低4度，温差降低2度，寿命提高两成，对企业来讲是性价比比较高的事情。这是我们一个方案，很多点，一个点就是一套设计方案，设计方案在最高温度最大温差上就是一个投影，从这张图上很容易选出最好方案是什么。

我们做电池设计有一个硬件支撑，我们把它从硬件上造了一个电池设计工作站，有一部分还在继续扩容，设计中心目前可以并行5-10。上面这个软件我们也把它打包成一个自己软件，叫KBF，没造之前就知道，未造先知，对企业来说他们觉得有这样一个用处，从整车厂来的订单很散又很多，订单与订单之间要求产品形式都不同，很多工程师做新订单要求产品试制，这些方案选留怎么做呢，做不同方案电芯，做实验，哪个好用哪怕各个，这个过程一般几个月。一百辆车一个订单拿出来做，一百辆车对对应的单体电池，大产能企业生产多久呢？两个小时就造完了，两个小时需要产品，拿到电芯厂设计三个月，效率太低，借助KBF这样一种观念，可以把做实验的范围缩小，并不能完全帮企业避免，但是可以让他更有方向性。基于自有的知识产权平台做软件商业化应用。

这样一款KBF软件有三个基本功能，第一个能够提供基本的设计方案选优，第二个是生产，企业有很多生产环节，20台设备可能有100个生产参数，哪个生产参数对产品影响更大。第三个开发新工艺，甚至包括一些新的结构，比如说固态，这个也可以通过单独建模来完成。

上面是我们的一些工作，在设计上我们还关注到了学界新的进展，我放在第一的是陈老师课题组带领在做的工作，就是浆料电池，这个事情很有意思，传统的物质和导电剂连接固化，低成本，在储能上有非常的应用前景，这里面有很多科学问题，非常大的一种挑战。叠纸电池，电池做的很厚的场景。薄膜电池，他们做这种15微米的薄膜电池，薄膜电池进一步做柔性化设计。

在电池制造上也有一些工作，我们做的一些有趣的工作，一个是我们帮助企业做单机的工艺闭环，涂布是电池生产最重要环节，我们在其中增加了一些关键的红色的是测量的点，蓝色的是可以控制的，从而把整个的涂布从开环走向闭环。中小线主要是实验线，在做一体化的中小线，如果想造一个新的固态电池产品，或者是单品，能不能通过两三台机器造出来。面向很新的结构，比如固态，导致新的成型方法。通过冷冻的方法，让冰晶制导出一个方向，构成宏观的一些隧道。注射的方法，注射轴在一个3D坐标下面，按照这个程序去移动，这也是一种增材制造。电场的一些方法，加工过程中活性颗粒沿平心于EF方向排成离散列，大家可以看到从冷冻到注射到电场，关键词是有序化，如果低成本实现有序化，是电器加工主要方向。这就是我在电池设计和制造商做的一些工作和观察到的一些新的方法，这是我们的主要合作伙伴。谢谢大家。

谢谢大家！

（能见App根据速记整理，未经发言嘉宾审核）

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