動力電池安全正在成為電動化進(jìn)程中最大的“灰犀牛”，也是電池企業(yè)攻堅(jiān)克難的方向。
近日，中航鋰電電池研發(fā)部負(fù)責(zé)人郭其鑫深入分享了中航鋰電不起火動力電池及技術(shù)的設(shè)計(jì)奧秘，闡述了中航鋰電安全領(lǐng)域的開發(fā)方向和進(jìn)展。
作為裝機(jī)量穩(wěn)居前三的實(shí)力派選手，中航鋰電依靠對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5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)測準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)早”的產(chǎn)品特點(diǎn)，具備獨(dú)一無二的安全技術(shù)優(yōu)勢。
通過工程化的方法，化繁為簡，郭其鑫重點(diǎn)介紹了動力電池起火中關(guān)鍵問題與應(yīng)對方法。
一是電動汽車熱安全問題根源。
簡單而言，熱安全問題起源于異常產(chǎn)熱。一個異常集中產(chǎn)熱點(diǎn)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，連鎖反應(yīng)就會在整個電池包上不斷發(fā)生，從而最終導(dǎo)致整車的安全事故。
異常產(chǎn)熱的出現(xiàn)則是因電池缺陷產(chǎn)生，往往也是導(dǎo)致一系列連鎖反應(yīng)的最終源頭。這種缺陷主要來自三個方面，一、制造過程即存在，出廠未檢測到的制造缺陷；二、使用過程中因可靠性問題導(dǎo)致的劣化缺陷；三、事故或不正確使用導(dǎo)致的濫用缺陷。
那么缺陷如何引發(fā)安全問題，則需要重點(diǎn)了解產(chǎn)熱或失效機(jī)理。異常熱量來源有內(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，而在當(dāng)前的材料體系下，絕大多數(shù)的起始異常產(chǎn)熱都因內(nèi)短路引起，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)高于其他類型，這也是當(dāng)前導(dǎo)致安全問題的最主要原因，包括殼內(nèi)異物、極耳翻折、模切不良均有可能導(dǎo)致這種短路模式。因此，中航鋰電很多工作都是以此為重點(diǎn)去開展分析及預(yù)防。
二是中航鋰電多維度熱安全解決方案。
要徹底避免熱安全問題，必須要從起點(diǎn)預(yù)防、電芯加固、系統(tǒng)阻斷和預(yù)測預(yù)警等多個維度進(jìn)行全面布防。
第一個維度是“起點(diǎn)預(yù)防”，指如何避免初始缺陷的產(chǎn)生，尤其是制造缺陷，進(jìn)而避免初始異常產(chǎn)熱點(diǎn)。
中航鋰電根據(jù)制造過程去尋找缺陷可能產(chǎn)生的路徑，從失效機(jī)理來分析缺陷造成的后果嚴(yán)重度，進(jìn)而去分解、確定管控點(diǎn)。
每個電芯生產(chǎn)制程的管控點(diǎn)多達(dá)數(shù)千項(xiàng)，中航鋰電憑借行業(yè)領(lǐng)先的制造和檢測能力，以及最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓芾矸椒▉肀Ｕ铣鲐洰a(chǎn)品的質(zhì)量。其策略是，從源頭，依靠設(shè)計(jì)創(chuàng)新來減少需要管控的點(diǎn)，在起點(diǎn)上解決和避免問題。
2020年，中航鋰電推出“DBW”全極耳極簡直連技術(shù)，省去極耳模切工序，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，客戶應(yīng)用反饋十分良好。
2021年，中航鋰電發(fā)布的“One-Stop Bettery”更將創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念貫徹到底，回歸目標(biāo)和功能本質(zhì)對電池進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和整合。第一代“One-Stop Bettery”就將疊片、入殼、焊接、包膜等裝配段十道工序，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化整合為三道工序，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。
第二個維度是“電芯加固”，指如何在電芯材料和化學(xué)體系層面改進(jìn)，使電池的熱穩(wěn)定性更高、對缺陷的容忍程度更高。
首先在正極材料設(shè)計(jì)上，眾所周知，高鎳材料的熱穩(wěn)定性差，中低鎳材料的熱穩(wěn)定好。但影響正極材料熱性能的因素遠(yuǎn)不止元素比例，包括前驅(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，均會對材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和界面穩(wěn)定性造成很大影響。
中航鋰電正極材料正是基于這些精細(xì)化定制設(shè)計(jì)，具備了優(yōu)異的安全性表現(xiàn)。
同等鎳鈷錳比例電池，其產(chǎn)品對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。正是基于對材料設(shè)計(jì)的深刻理解，找到高鎳材料安全的解決方案，中航鋰電堅(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。
除正極材料外，電解液和材料體系的搭配對于電池安全性同樣至關(guān)重要。
合理的體系搭配會提高初始的產(chǎn)熱溫度、降低反應(yīng)的總放熱量，同時延緩甚至阻斷連鎖的放熱反應(yīng)。為此，中航鋰電做了大量的分析和試驗(yàn)，來解耦正負(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)。
通過前兩個維度的措施，中航鋰電已經(jīng)可以將電池的熱安全問題發(fā)生幾率降到很低，但若追求徹底的零安全事故，還需要一道屏障，也就是第三個維度——系統(tǒng)阻斷。
第三個維度是“系統(tǒng)阻斷”，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。
彈夾電池、大禹電池等均是基于疏堵結(jié)合理念和方案而來。中航鋰電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年三季度其已經(jīng)拿出成熟的方案來支撐主機(jī)廠，跟中航鋰電深度合作的各主機(jī)廠已經(jīng)在全系新車型中導(dǎo)入完畢。
阻斷方案實(shí)現(xiàn)后，中航鋰電進(jìn)一步追求如何更高效，即如何制定最合理的阻斷方案，通過最低的能量密度損失、最少的額外成本付出來實(shí)現(xiàn)，這要求企業(yè)具備非常深厚的正向定量設(shè)計(jì)能力。
2021年，中航鋰電基于對于傳熱學(xué)基礎(chǔ)理論的靈活應(yīng)用、熱失控機(jī)理的認(rèn)識、材料體系級別的分析、電池級別新評價方法的開發(fā)以及大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，自建了專用的熱失控抑制仿真計(jì)算工具，以及全套的從材料級別，到電芯級別、系統(tǒng)級別的仿真、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。
第四個維度是“預(yù)測預(yù)警”，通過前三個維度的措施，已經(jīng)能夠把“熱安全事故”降低為一般故障了，但中航鋰電希望能夠更早的發(fā)現(xiàn)故障，在故障發(fā)生之前實(shí)施維保措施從而提升用戶體驗(yàn)。
為此，中航鋰電建立了自己的大數(shù)據(jù)平臺，目前已接入80000多輛車的運(yùn)行數(shù)據(jù)。
基于該平臺，其通過進(jìn)行大量正向的缺陷植入、異常模擬實(shí)驗(yàn)，探測不同缺陷對應(yīng)的數(shù)據(jù)表現(xiàn)，并基于此開發(fā)了對應(yīng)的故障算法。接下來還會基于模型訓(xùn)練不斷校正和修正，并開發(fā)新算法來更精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)預(yù)測預(yù)警。
與此同時，中航鋰電還在建立數(shù)字電池平臺，實(shí)現(xiàn)從原材料到制造全過程再到應(yīng)用全過程的數(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)防和價值拓展。
