9月9日，第二屆儲能電池技術發展方向研討會在京召開。

本次會議由中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會與中國科學院電工研究所儲能技術研究組聯合主辦，北京好風光儲能技術有限公司、浙江南都電源動力股份有限公司、中天儲能科技有限公司、長興太湖能谷科技有限公司及合肥博澳國興能源技術有限公司等單位聯合支持。

清華大學汽車工程系副教授教授李哲出席了本次會議，并發表了題為《電池設計與制造技術進展》的報告，以下為演講全文：

李哲：各位來賓、各位老師、各位企業界朋友大家下午好！我先簡單介紹一下我自己，我來自清華大學汽車系，我們團隊在新能源汽車上有這樣幾塊主要布局，圍繞新能源汽車動力系統開展了混合動力系統燃料電池，儲能和充電相關的系統研究，動力電池和他的系統團隊，我從事研究工作是電池的設計和制造，偏工程的這么一個話題。我們服務的對象也是國內動力電池生產企業，動力電池生產設備的企業。

電池的性能到底是材料引起的，或者說主要的貢獻者是材料，還是說在工程上，系統上還有一些事情可以做。我們在大概十年之前接觸到一個國際上比較新的進展，這個實驗叫做單顆粒實驗，大家知道一般的充放電都是針對至少一個電池單體進行的，這個是日本有一位學者，通過一個機器探針進行實驗，通過單顆粒實驗他發現一個顆粒在120C下放電，容量保持還有80%。從120C到3C有兩個量級差別，有這樣基本感覺，電池的性能，材料固定重要，但是如何把好的材料構成好的構建，進而構成好的系統依然很重要。為此我們做了一些定量化的對比。

從材料革新對電池性能的影響角度，大概從鉛酸電池到現在鋰離子電池，過去這150年，大概從能量密度這個指標來看，提高了3-5倍，這是非常大的一個進展，也是很多做電池材料研究的學者一直用的圖。如果保持材料不變，在工程上做一些事情，我們做的這個事情是在電極層次的微觀結構層次一些優化，比如說顆粒的大小，比如顆粒和材料隔膜，以及顆粒本身界面上做一些工作，以及孔系列的設計，包括非均勻的梯度化設計，對電池的倍率性能大概有多少影響，我們做的實驗，模擬上的也有實驗上的，通過電極微觀的結構優化，不改變任何材料，對它的大倍率放電能力大概有一倍，前面150年5倍，現在我們大概半年時間做了一些實驗，大概2倍，我們覺得這個事情成本比較小，過程比較快，總體來講是一個優上加優的事情，值得做。所以我們把這個研究方向定義成了既有體系上做工程學的優化設計。

在電池工程這么一個關鍵詞上分成了電池設計和制造兩個環節分別進行研究。電池工程研究前面講了，不是做新材料，我們不能做新的硅碳材料，如果好的電極，如何把好的電極構成好的單品，是多大的，單個電池的容量。以及構成系統，用在動力或者儲能的領域，這是我們研究開展的一個主要尺度，在后三個量級上。先看一下電池設計的工作，我們在電池設計上做了一個目標分解，大家知道造出來一個好電池，問題很難回答，我們這個更多還是從車的角度來看，分成了四類，第一類在材料不變的情況下，搭配能量，熟悉電池設計的學者可能了解到，比能量比功率是此消彼漲的關系，整體往右上角移動。

第二個設計目標是低溫升低溫差，主要要求做大以后產生的，咱們筆記本用的18650，大概能看到兩度左右的溫差。車上的電池，常見的扁扁的電池，1C條件下，最高有十幾度的溫差。這么大單體內部溫差對他的壽命帶來非常大的影響，安全性帶來非常大的影響，造低溫升低溫差的單體，第二個設計目標。第三個設計目標是長壽命，第四個設計目標車的使用有關，希望它耐撞，在這四個目標分解下，針對每一個目標要分別就電池相關的建模，而且因為針對設計而不是僅僅性能模擬，希望這個模擬越接近真實情況越好，這樣一些模型。

在電化學模型我們做了一個工作，基于真實的材料和結構的電化學模型，大家如果用一些電池相關的工具可能就知道，很多這種仿真軟件中植入一些電池模擬的這些模塊，他們的一些模型主要是美國有一個教授開發了模型，這個模型已經用了20多年，做性能模擬，輸出一些曲線，相對比較精確，設計有點不夠。它是實際物料可以選擇的狀態，正極要做復合，或者物理上的復合，負極要用一些新的碳材料，電池內部很多分布，顆粒不一樣大，孔隙里有差異，不光關心這個離子傳輸，關心電子傳輸，另外可以還原工藝，事實上在模型建立過程中工藝最困難及，一旦有工藝上的進步，最終表達出來這是很困難。在顆粒表面包覆，新的化學物質層對離子傳輸有什么影響，很多基礎工作要做。基于這樣款式電化學模型，做了一些應用工作，一定程度上可以改變電池的比能量，比功率。很多不同的設計造成速度控制不同。

第二部分設計工作是擴大了一個層次，在單體這個層次，需要的模型是熱模型，為了建立一款精細的熱模型，高精度的熱模型，也要做很多技術工作，要把不同結構，不同材料電池技術表示出來，是不是有很多導熱測量儀，在軟包結構上來講，他的精度非常長。為此我設計了一些新的方法，市面上大部分結構的系數。以鋁塑膜軟包來看，穿越面的方向是導熱強的物質。除了導熱系數，還有容量標定，所在的環境產生的化學系數標定，熱模型準不準，看你預測溫度準不準，電池大了以后內部溫度和表面溫度也有很大差別，怎么無損安全的把電池內部各點溫度找出來，做了測量學的開發，最終我們是借助一款高精度的熱模型，設計了幾款電池的3S參數，這是我們對單體做的一些工作，設計目標是低溫升低溫差。

老化的這個研究還不像電和熱這么好講，很難預測能跑八年還是跑十年，做了老化機理研究。重點是研究兩件事情，一個是衰減，如何通過原位的方法，實時的方法，把微量的衰減找出來，做了一些方法開發。另外一個關注的機理是跳水，到生命后期有一部分電池會出現容量的快速下降，把這個叫跳水，跳水之前有沒有征兆，能不能預測出來。跳水也是怎么找出一些有效的表征手段，左下角工作是我們合作者做的一些工作，他做的也很細致，研究他們之間的變化，這個也作為壽命預測的一些依據。

第四個關注的設計性嫩是耐撞性，這個工作不是我做的，是周青教授做的，他們課題組在電池包碰撞實驗上做了大量工作，今年有第一輪博士生畢業，有一些結論性的結果。給大家簡單分享一下，給了兩個耐撞性建議，在單位提出層次，耐撞主要相關部件是隔膜，長徑都在一個方向更容易發生短路。模組層次給了建議，每隔一段距離設計一個孔，或者是焊接一個特殊部件，或者是打一個孔，這樣能把這個單個方向的碰撞裂孔撕裂轉成另外一個方向，他這個思想借鑒于大家知道遠洋的貨輪耐撞問題，下面有很多倉，這些倉不要一撞到底，大家都進水就要沉了，中間截斷它。

我在電池設計上做了一些工作，主要服務于國內電池廠的一些需求，一個實例我們把國內電池廠在兩款電芯上做滾輥壓工藝優化，如果這種中間密的兩邊疏的結構變均勻了，或者倒過來，中間疏兩端密怎么樣，做了一些模擬，事實上證明如果把第一種方案改成第三種方案，中間疏松，從而很好的幫助企業把這款電芯從一般的擴展到一個快充的車廠。實現工藝也比較復雜，需要多重去公開。

國內的一個電芯廠，純電動飛機裝配電池，這是一個通航的飛機，大概能飛3000米高空，2017年時候已經首飛了，賣了幾十架。飛機上做改造越來越困難，車輛加速或者爬坡超車大概20秒就夠了，飛機不夠從地上升空到三千米，必須把電池在大SOC下的高倍率放電時間拉長，企業做了很多工作，一個事情有點困難，打不通，從電極設計角度，給一些設計意見，最后裝機了。

單體層次幫助國內最主要電芯廠設計了十幾款電芯，有軟包的，有硬殼的，最小的25AH，最大的42AH，重新設計電池尺度比例，最大溫升降低4度，溫差降低2度，壽命提高兩成，對企業來講是性價比比較高的事情。這是我們一個方案，很多點，一個點就是一套設計方案，設計方案在最高溫度最大溫差上就是一個投影，從這張圖上很容易選出最好方案是什么。

我們做電池設計有一個硬件支撐，我們把它從硬件上造了一個電池設計工作站，有一部分還在繼續擴容，設計中心目前可以并行5-10。上面這個軟件我們也把它打包成一個自己軟件，叫KBF，沒造之前就知道，未造先知，對企業來說他們覺得有這樣一個用處，從整車廠來的訂單很散又很多，訂單與訂單之間要求產品形式都不同，很多工程師做新訂單要求產品試制，這些方案選留怎么做呢，做不同方案電芯，做實驗，哪個好用哪怕各個，這個過程一般幾個月。一百輛車一個訂單拿出來做，一百輛車對對應的單體電池，大產能企業生產多久呢？兩個小時就造完了，兩個小時需要產品，拿到電芯廠設計三個月，效率太低，借助KBF這樣一種觀念，可以把做實驗的范圍縮小，并不能完全幫企業避免，但是可以讓他更有方向性。基于自有的知識產權平臺做軟件商業化應用。

這樣一款KBF軟件有三個基本功能，第一個能夠提供基本的設計方案選優，第二個是生產，企業有很多生產環節，20臺設備可能有100個生產參數，哪個生產參數對產品影響更大。第三個開發新工藝，甚至包括一些新的結構，比如說固態，這個也可以通過單獨建模來完成。

上面是我們的一些工作，在設計上我們還關注到了學界新的進展，我放在第一的是陳老師課題組帶領在做的工作，就是漿料電池，這個事情很有意思，傳統的物質和導電劑連接固化，低成本，在儲能上有非常的應用前景，這里面有很多科學問題，非常大的一種挑戰。疊紙電池，電池做的很厚的場景。薄膜電池，他們做這種15微米的薄膜電池，薄膜電池進一步做柔性化設計。

在電池制造上也有一些工作，我們做的一些有趣的工作，一個是我們幫助企業做單機的工藝閉環，涂布是電池生產最重要環節，我們在其中增加了一些關鍵的紅色的是測量的點，藍色的是可以控制的，從而把整個的涂布從開環走向閉環。中小線主要是實驗線，在做一體化的中小線，如果想造一個新的固態電池產品，或者是單品，能不能通過兩三臺機器造出來。面向很新的結構，比如固態，導致新的成型方法。通過冷凍的方法，讓冰晶制導出一個方向，構成宏觀的一些隧道。注射的方法，注射軸在一個3D坐標下面，按照這個程序去移動，這也是一種增材制造。電場的一些方法，加工過程中活性顆粒沿平心于EF方向排成離散列，大家可以看到從冷凍到注射到電場，關鍵詞是有序化，如果低成本實現有序化，是電器加工主要方向。這就是我在電池設計和制造商做的一些工作和觀察到的一些新的方法，這是我們的主要合作伙伴。謝謝大家。

陳永翀：說了一個關于材料和我們電池結構不是一回事，可惜我們現在很多的儲能電池立項的時候，拘泥于我們的材料方面進行立項，材料非常重要，儲能電池技術，請問儲能電池技術包括哪方面，首先肯定是材料是基礎，不僅僅是材料。李老師今天報告里面說的電池技術里面兩大塊，一個是結構技術，包括單體內部結構技術，以及外部系統結構技術，第二個是制造技術，我們說電池技術應該包括六大塊，財來技術、結構技術、制造技術、應用技術、再生技術、回收技術。所以學習體會，謝謝。

主持人 劉丹丹：再次感謝李老師報告和陳老師給大家分享，李老師不能參加最后互動對話環節，現在有幾分鐘時間，大家有問題可以跟李老師提問。

提問：李老師，我想問一下，各個廠家對于電芯的規格型號都明確規定，我想了解一下您研究的結果對電芯在容量范圍有沒有一個指導性的意見。

李哲：剛才給大家看了很多圖，這個圖是干什么的不呢？這個圖橫軸是最高溫度，縱軸是最大溫差。從整車廠的角度，對于整個電池包的最高溫升和最大溫差提一個要求，從溫差角度來看，目前的水平大概在5度，整車廠2度。在這個圖中，一旦你給出一個邊界，他會框到一部分設計方案，另一部分自動排除了，所以一個最大的特點是倍率越大，內部溫差越大，容量越大，內部溫差越大，這種不可避免，按照我們的經驗，目前的電池制造工藝10-50安時的單體電芯最適用于做動力電池，如果儲能的話放大，因為它的平均工作倍率會低一些，10-50AH，應該會有差別，在三元體系上。