清華大學李哲：電池熱特性研究
2018年3月24日，由中國化學與物理電源行業協會與電池中國網聯合主辦，天津力神電池股份有限公司重點支持的Li+學社·成就鋰享 智信未來（2018）電池技術沙龍第一期：電池安全-從設計到管理，于同濟大學汽車學院正式開講了。清華大學汽車工程系副教授李哲就電池熱特性研究與參會人員進行學術分享。
圖為清華大學汽車工程系副教授李哲做課題報告
李哲：大家上午好，謝謝同濟大學魏老師和協會的邀請，今天很高興跟大家見面。
我的問題主要是電池熱問題，是要講大型電池的熱問題。今天主要談一下對于電池大型化和熱的方法，相關的解決方案大家可以在我們公開發表的論文當中得到具體的講解。我會分兩個部分講解，一個是講我們對于電池大型化的理解；第二個是講對于大型電池結構設計中所必須要了解的電池熱特性的問題。
電池大型化：以我們對大型化的定義相對，首先看一下大家更熟悉的電池，這個大家都很熟悉，最早的1865只能做到1Ah。隨著密度越來越高可能做到3-4Ah。它的系統容量一般到10-100WH。相應它的單體能量也比較小，10650圓柱也比較常見。在這個電池上中國產業電池技術非常好，遠遠早過動力電池產業發展之前，在中國很多企業像CATL、BYD、力神都是非常重要的手機電池供應商。
我的感覺在十年之前，大家在提動力電池，這種用于驅動和儲能兩種場景的高能量電池系統具有系統大、單體也大的特點，儲能大家可以理解用在電網中，在電網中做功率的調整或者和可再生能源放在一起，做一些可再生能源的吸納。驅動大家最熟悉的就是車輛驅動，像中船重工也在做，飛機也是。大家可能比較熟悉的電飛機概念是多電，而不是電驅動，用的還是傳統的發動機，現在我們跟國內新型電飛機，在沈陽試飛了。
由于驅動和儲能電池系統以車輛來說，大家熟悉的是帶電量是20-50KWH。而儲能電站就更多了，相應它的單體容量也在擴大。大型化一個簡單的出發點就是希望減少系統的并聯數，并聯代表著節點增多，可靠性有問題，也代表著連接損耗增加。為減少并聯，單體要大。用在汽車當中的單體，混合動力比較小一點，我們最常見的10-50kWH，展會上會見到一些大的，100-200的也有。特斯拉是一個特例，一方面他在電池管理上面有大量的工作要做，對系統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報道，往這些更大的電池上面拓展。
大型化大家的感覺就是容量大，體積大，再更細觀的上面有什么不同，我們做系統管理的研究人員做這種定位還很罕見，我們總結了以上四點：
第一點是傳質路徑增長，簡單來說就是鋰子和電子，傳質路徑一般在負極，為了提高能量，電極越囤越厚，幾十上百微米。傳質電池帶來的問題就是傳質不高的地方鋰子濃度非常高，這樣可能會帶來電池的提前截止，事實上是能量的一種浪費。
第二點傳質的路徑增長，這個好理解，這其中也有一個數量級的增加，還有一點更容易被忽視的是電池表面和整個的比較，假如就是一個立方體尺度的比例不變，算出來的這個A/V是跟這個相關的數字，散熱的能力正比面積，A/V減小以后電池的散熱比較差，第二點和第三點都會造成電池在單體內有一個很大的溫度分布。
第四點我們總結為內部并聯結構的大量形成。層節式的電池幾十片電池片，這是很顯著的結構，大型的卷繞式電池內部也有多節點。這是我們對大型化的一些理解。
大家可以看到，1234點帶來的一個主要問題就是電池內部的多種力量都會發生非均勻的濃度，比如等離子濃度，比如溫度帶來的并聯等等，如果能夠緩解速度控制來消除這些分布可以很顯著的提高大型電池的性能。
應對大型化挑戰，國內的動力電池企業做了大量的研發工作，我把它總結為電池設計和電池管理兩類：設計是偏電芯廠為主，中國引進了國際上一些非常知名的企業。第二類的工作我把它叫做電池管理，采購電芯了以后怎么把它做成一個好的模塊，怎么做成組，有一個組以后怎么添加傳感原型的組建，這個工作也在做，一些獨立的Pack廠和整車企業更關注。
大學能做什么？我覺得大學更多還是做協助，為企業的產品研發做好協助和服務。大家對比一下中國和日本的產學研的態勢，經常有這樣的一個概念，日本最先進的科學成果都首先出現在企業里，日產發布了什么，Toyota發布了什么，日本的聲音更大一些，在中國相關的技術研究領域，地位更高一些，這種狀態應該逐步調整，高校還是做一些非?；A的理論知識，比如大型設備，比如中子介入反應堆，比如一些通用方法模擬的一些軟件還有一些模型，可以做這樣的協助和服務的工作，企業還是研發的主體。
我們這里還涉及到電池管理：SOC幾十分鐘，中等的一個尺寸。考慮到梯次利用以后時間更長，可能是數十年的尺度。電池相關的研究和開發人員做的工作大概集中在哪幾個尺度上？
第一個尺度從小到大是材料的尺度。這里畫的是一個單顆粒，數十到數百的納米。做電極的企業都知道，另外在混料的時候難免會團聚。顆粒形成的團聚體涂附在電極層上，它大概是在100微米的層次。再下一個層次多個電極層通過其他零部件組成的，很多單體串成的一個系統大概在1米，他們都是兩兩之間相差兩個數量極，在這四個層次上都可以做。
在顆粒上面這部分在電芯廠或者電芯廠的供貨商去做，如何完善新材料的制備過程讓它變成的廉價高效，這個是典型的材料領域科學家做的事情，這部分工作長期以來是中國電池產業研究的一個重點，甚至大家覺得這個電池發展史就是材料的發展史。過去150年從最早的電池慢慢到鋰電池能量密度提高了三到五倍，未來更高的一些甚至更好的電池也有三到五倍的跨越。
下面還有一個層次它的效率不應該被忽略。尤其是在大型化的基礎下，在電極層次一個典型的工作是做一款高功率電極設計，在某一個SOC方面必須要有高質量的體現。升空的那種，這里面有鋰電池設計的問題，也有電極制造過程當中的工藝的問題。
第三個就是單體。單體上我們也和很多企業合作過類似的項目，希望做低溫差的單品，希望降低溫差，車輛對溫差有要求，兩度到五度的范圍，不要比五度高，如果單體就超過五度這個工作就很難做，電芯廠首先要控制溫差。最后是Pack熱管理，單體的系統都是能源領域相關的研究問題，大家可以看看它不管是一個多尺度的過程，也是一個多學科的領域。在清華各個系都在爭能源這個詞。在電機、單體、系統上所要求的學科背景往往更加復雜，像企業招聘員工的時候，十年前要求的材料背景，現在要求的更高了一些，包括機械控制、車輛等等。
我們講一下第四個層次的典型工作，這是來自實驗室的工作，在電極層我們做這樣的一個事情，建立一款模型幫助企業進行開發。從供應商工藝設計的參數，在這個模型里面設計的東西非常有限，很大程度上制約了我們的嘗試。我們想做一款趨近于真實的模型，不做平均。另外還希望電極層模型能夠跟蹤和工藝的革新，做到這個事情。
我們有一些研究院常年工作在一線，去了解工作的缺陷，跟蹤企業各個板塊，隔膜的顆粒表面等等。之前的混漿涂抹的方式現在也有一些新的方法出來了，希望把這個電極模型做的真，可以給企業提供這樣一種幫助，我可以在模型中試一試。調哪個會優先帶來哪方面的效果，如果我想實現哪些特殊的目的可以優先設置哪些東西，我們前期的一些實踐表明，不變的電池材料顆粒，材料不動，不變電解液的基本組成，僅僅變的是參數，在能量不降低的情況下，比功率至少還有一倍的差異。如果我們能在設計層次上做一些工作，有一倍就可以了，應該是一個事半功倍的這么一個事情。
這是一些結果，大家可以看到電池放電過程當中速度控制是不一樣的，大家可以看到每一個固體顏色的顆粒是近似的，但是不同層次的顏色差別還是很大，這是液像控制的過程，每一個顆粒很像，但是內部每一個顆粒顏色差異很大，這就是典型的圖像控制過程，這個跟參數有關系。
在單體層次我們做的一件事情簡單來講就是調宏觀結構參數，我把它稱為3S。十年前我參加中國電池展會看到過幾百上千萬的一個大單品，為什么現在很少見這些單品呢？為什么大家都選了10-50kWH呢？其實電芯的結構也在不斷的成長，圓柱好還是方形卷繞好還是方形折疊的好？尺度假如我做這個形，有什么比例的調整，這些都可以在單體層次的熱模型當中得到回答。
最后一個層次是系統。我們把它分成了大概四類，第一類是分選與組配，電芯廠出廠都要分選，相同、近似的裝在一起。現在有一些文獻說由于并聯的單體處于不同的溫度下，就要裝不同的溫度不同的分配。第二類是電能管理，其中最有特色的就是SOC，SOC準確估計的問題，第三點是熱管理，電芯廠都提出了我們要做全氣候的低溫差的單體，我是用空調風還是液冷還是用散熱條件還是像日產凌風那樣，干脆把整個盒子封起來，什么都不用，在熱管理上面有很多的門道可以講。最后一個就是安全管理，比如故障診斷到底哪一組壞了，這個最近也很火，這是我們對系統工作的一些理解。
關于電池熱問題我是在單體上做的，我就只講單體熱問題，這是我們在單體熱問題上整理出來的一個研究思路。我覺得大家可以參考一下，如果在企業內部有一個類似的電池熱模擬可以做相應的工作，第一部分是標定物性，最重要的是熱物性和產熱率。放在一起就是熱電模型，有了模型也不足以實現精確的溫度模擬，需要一些對邊界的精準控制。比如說在實驗室條件下電池的接線和導線的裝加可能會帶來電池熱阻，在產品上更多的是焊接的問題，另外電池的研究有一個很重要的特點，不像數理問題，很多是代數，為了實現快速計算，大家在模型的維度和幾何處理做一些工作。這個溫度分布的準不準還得和測溫的結構比一比。這款模型我們起了一個名字叫構效關系模型，電極怎么設計的出來的比重能量化，單體結構怎么設計的，出來的溫度怎么樣，這是我們做這個模型出來的一個本質。
我講三點，我感覺在這個路徑上面困難最大的三點。一是熱物性，這是一款25AH能量型EV用電池，我們想把它的比熱容和導向系數弄在一起。這件事情就是很容易，我們直覺是導熱系似乎不是我們電池做的事情，應該到精密儀器系或者熱能系用一些已有儀器做。試了三種方案，第一種是串并聯，第二種和第三種我們建了兩種儀器，一個是Hot disk，另外一種就是氙氣和激光閃射的方法，串并聯最主要的問題是不便于處理電池之間的熱度，在層上很小會發生溫度使用的不一樣，Hot disk也有這個問題，在非常短的時間內，把熱傳到這個膜下面的東西，熱流根本沒有穿過電流本身，現在產生的問題是需要純干式的極片，或者一丁點的液體，電池本身是一個濕式，不希望破壞它的結構。在這樣的情況下我們做了一些方法，我就講一下結論。這是這款電芯最后得到的比熱容和常規系數。導熱系數在法相0.25，切項1.25，電池的不同方向是強烈導入易熱物性的物質。比如在PVD板上我們也做了類似的嘗試，應該是最高的精度。產熱率是溫度分布的根子，得把產熱率標出來，這個可以算也可以量，算的公式企業的工程師都了解，1979年就有了，他把電池的產熱最后寫成這么一個公式，這里也有兩項值得我們標定，測內阻，還有一項是OCA溫度的導入，為了算熱最后就是算內阻和散熱系數，其中散熱內阻測量相對變數比較小一點，我們發現不同的測量方法差異很大。穩態方法就是從滿到空，持續放電，換幾個不同的CC的電流，瞬態方法就是突然斷電流，大部分的內阻測量方法都在這兩個范疇之內，我們做了一款只有毫安級別的小電極去測穩態方法，我們參考YS，參考所計算的特定產熱工況，選擇一個跟產熱工況類似的時間，這個方法盡量給準態方法的選擇提供依據，這是散熱，還有量，我可以直接把熱量出來。傳統的量熱器比如熱重儀，還有一種叫DSC，動力電池上最常用的是這兩類，第一類叫ARC，第二類叫IBC，我想這個大家更熟悉一些，它的特點可以提供一個絕熱環節，就是外界對電池的熱焦化是0，在ARC中可以做各種的實驗，這個東西相對比較新，我們買的是全球的第一臺還是第二臺的大型芯片，還有一個特點無論你的電池如何放熱，都可以直接通過溫度的方式把溫度恒定了，溫度恒定對于我們來說是一個好的環境，我們前面講到內阻溫度敏感，在這種情況下我們測得的產熱率是單一特定溫度產熱率，如果在ARC上面測只能得到一個不準確的溫度。
量熱儀器不好用，我們拿一個標準電阻，有這樣一個信號，量出來的是這個樣子，就是紅線，整個量熱儀包括放在其中的電芯，時間長度非常大，產熱率強動態一大實質就是我們面臨的一個主要矛盾，有實質我們就去做修正。第三點想講一下電池的新型測量，電池研究的主要工具前面講了是模擬，建立一個新測量方法周期非常長，占用學生的精力非常多，有時候那個結論很多時候都不準確，這種費力不討好的事情還是少做一做。第一個方面電池預測準不準。第二點就是這種測量有什么本身設計缺陷。在外部到內部對封閉結構的單體從單點上分布。
舉幾個例子，這是我們大概五六年前做的一個相對比較吐槽的工作，還是25AH，里面12個特定位置埋熱，當時也做了一些工作，盡量減少對周圍的反應影響，這個電池很堅持，堅持了幾個月，給了我們一些很寶貴的信息。
大電池內部有很多并聯機構，如果不一致會分布，在現實當中就是測不出來的，怎么辦呢？我們就把絕緣耳切出來，確實證明了我們的猜想，電流分布差異非常大。可能是電極板本身制成的差異，也可能是后續的問題。我們做了一款軟的聚電壓的電路板，一面做了電壓，一面做了溫度，也是在電池內部做了一些實驗，板子的壽命還是有問題的，這個我也在嘗試，我們想通過一種外部的方法無損的把電池內部有無異常電流找到。如果不做分割集板怎么辦？在周圍布了一圈磁場傳感器，構建一個磁場出來，以磁測電，目前的進展是電流分布的精度不太好，足以測量內部短路，就是這樣的一個進展。
這就是我們在熱問題提出的三個難點，熱物性、產熱率以及新型的測量方法注重內部測量。
通過建立起的精度還不錯的溫度模型，我們可以做電池的結構設計，就是我們前面講的3S的時間參數，時間有限舉一個例子，假如給一個約束，我就想做多少容量，多少體積的電池，厚度各個尺度的比例都可以變化，比如隔膜的厚度單層是不變的，我們有多少設計方案呢？這些設計方案的溫度控制效果如何呢？橫軸是電芯的最高溫度，其中一個點就是一套設計方案，我們把這些設計方案帶到熱量模擬中去得到了電池質量溫度和溫差，畫在這張圖上，這張大概一次會有200-500次方案，我們得到了這樣一張圖，這上面一些點很有趣，首先它是離散的，其中每一個離散的數就是正極的片數。因為有氣泡大小，大氣泡在上，下氣泡在下，它的最高溫度偏高，但是溫度均勻性還是不錯的。還有一個很重要的信息，如果我們把每一個離散最優點，左下角這一塊，最優點畫出來，這些紅色的點，大家可以看到它在這張圖呈現出來的就是負性，我們把這個叫做此消彼漲，這是經濟學的一個概念，不可能在不犧牲另外一個指標的前提優化這個指標。
這個圖有什么用呢？前面講了要做單體適宜大小，假如整車企業給我們提了一個要求，我希望電池包或者單體在左下角的曲線當中，通過這個對應容量，我們就能得到在這樣的問題要求下，單體電池最高能做到多大，這是一種選定單體對容量的方法，考慮對溫升和溫差的忍耐能力，這是我們在做電池結構方面的一個例子，在比例包括形狀上面還有一些工作。
今天時間也不夠跟大家匯報了，我們總結了一本書《鋰離子電池結構設計理論與應用》，這個書是2016年出的，大家要是感興趣可以供大家參考，主要是單體熱問題和單體設計，謝謝大家。
（根據發言內容整理 未經本人審核）
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