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清华大学汽车安全与节能实验室李哲:动力电池设计技术及变革

作者:森林 2022-05-12 11:31:50 来源:新能源汽车网
李哲

  李哲,清华大学汽车安全与节能国家重点实验室副主任

  导语:

  2022年3月25-27日,中国电动汽车百人会论坛(2022)在京召开。大会以“迎接新能源汽车市场化发展新阶段”为主题,深入探讨了我国新能源汽车由政策与市场双驱动转向以市场驱动为主的新阶段所面临的机遇与挑战。在27日召开的动力电池论坛上,清华大学汽车安全与节能国家重点实验室副主任李哲就“动力电池的先进设计技术以及在这一先进设计技术推动下的动力电池产业研发模式变革”发表主题演讲,全文共分三部分,以下为第一部分“动力电池的产品设计要完成什么样的任务”。

  第一部分我们讲一下,动力电池的产品设计要完成什么样的任务。

  电池性能的成因比较复杂,我们认为它满足以下的乘法公式,是材料发展水平、电池设计水平和制造水平的乘积。

  电池性能是否唯一和材料性能划等号呢?过去的150年,从铅酸电池发展到锂离子电池,电池的关键性能、能量密度大约提高了5-10倍。2000年以后,在单颗粒实验这些典型的电池实验技术推动下,人们有了新的发现。

  Dokko教授在单个颗粒实验上进行的充放电实验中发现,单个钴酸锂颗粒在126C下充放时,容量的保持率依然大于80%。同样是钴酸锂的正极材料,制成单体后它的大倍率放电能力大约要下降1-2个数量级。大家都有概念,单体的放电倍率对于高能量电池来说一般在几C,甚至1C、2C。

  有了好的设计以后,要想变成好的真实的电池产品性能,还必须有先进的电池制造设备和工艺保障。因此,这张图(图1.)反映了三者的关系。

  电池材料的发展水平,克容量、高电压材料的出现,是电池性能的理论上限。那么好的电池设计的目标,就像我们去触摸天花板一样,要通过好的设计,把热力学上储存在电池材料上的内部能量,在到达截止电压之前,“物尽其用”的发挥出来,这是动力学上的一个成功。一旦电池设计定型以后,电池的制造,通过工艺的调试、不断发明的好的设备,就可以不折不扣的变成真实的产品。

李哲

  * 图1(图片截自嘉宾发言PPT)

  中间蓝色部分的电池设计,它完成的一个主旨是,在既有材料的发展水平下,通过设计来改善电池的性能,这个性能是动力学上的性能。

  电池产品设计工作的一个典型任务大概如这张表(图2.)所示。

李哲

  * 图2(图片截自嘉宾发言PPT)

  首先,在电池设计过程中有很多设计变量。比如材料配方的变量:选什么样的主材、什么样的助剂,它们之间有什么样的配比关系。微观结构的一些变量,比如材料颗粒粒径如何分布、电极的涂布厚度、孔隙率或者压实密度,包括电池内部大量存在的界面,如集流体界面、颗粒界面等等。更大一点尺度上,还有形状尺寸的一些设计变量,还有构型之争一直是电池产业发展中一个非常受人关注的话题。近年来还有很多新的电池构型在不断地涌现,在确定的形状特点下,它的尺寸比例如何调整,极耳这样一些关键部件的位置如何调整等等。

  非常众多的,大概数十个设计变量都是为了达到电池的性能需求。一般来说,我们对于电池至少有电性能的需求,如能量密度多少瓦时/千克;功率密度在不同的持续放电时间下能够达到多大功率值。除此之外,还会有热性能的要求,电池在工作过程中的最高温度,最好控制在一定范围内。大型电池内部会发育出温差,这些温差也需要得到很好的控制。除了电和热的性能需求之外还有寿命的需求,我们希望它达到数千次、上万次的循环寿命,还有安全性的需求等。

  电池产品设计的一个典型任务,就是在给定的一套性能需求下来确定这一揽子的设计变量。

  在电池产品设计过程中,设计方法一直随着时代在不断发展进步。目前我们回顾以前、展望未来,大概可以将电池产品的设计方法分为三代核心技术。它们分别是:长期以来,无论中国还是欧洲新兴的动力电池产业中,都在大规模使用的实验试错方法,我们称之为第一代技术;目前第一代实验试错方法正在向第二代技术(过渡),我们称之为仿真驱动的正向设计技术;通过以仿真驱动的正向设计替代实验试错,单个型号、产品设计的效率大约提升2-5倍。未来5-10年,在2025-2030年这个阶段将发生的一次关键技术进步,是以仿真驱动的正向设计方法为基础,进一步向无人化(既包括全自动的含义、也包括智能化含义),智能化全自动的电池产品设计方法进步,我们称之为电池产品设计的第三代技术。在第三代技术下,可以将单品开发的效率进一步提升10-100倍。

  这就是电池产品设计的三代的核心技术,以及从第一到第二,目前正在发生的和未来5-10年即将发生的,从第二代到第三代的技术跃迁。

  后续部分我们分别来看一下电池设计技术的过去、现在和未来。

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