鋰離子動力電池安全性與材料熱電化學及結構性能研究

俄羅斯圣彼得堡國立技術大學研究員王慶生

　　中國電池雜志-中國電池網(wǎng)11月11日訊（陳語 湖北武漢直播報道）11月11日，在2015年第3屆中國（武漢）鋰電新能源產(chǎn)業(yè)國際高峰論壇（ABEC 2015，鋰電“達沃斯”）上，俄羅斯圣彼得堡國立技術大學研究員王慶生發(fā)表了題為《鋰離子動力電池安全性與材料熱電化學及結構性能研究》的演講報告，以下是演講報告實錄：

　　大家好，在介紹這個報告之前，我們簡單介紹一下我們自己和我們這個機構，這里在座有很多新老朋友了，我們一直在做聚合物理電池的材料和相關技術研究，在這里有一些簡單的技術跟大家進行交流。

　　我們名稱就是關于鋰離子電池的安全性和材料、結構以及整個系統(tǒng)的設計之間的關系。我們從四個部分來分析這個報告，第一個先講一下電池產(chǎn)能機理與結構的設計，再考慮整個相關材料的分析，還有動力電池一系列的一個系統(tǒng)，還有根據(jù)這個電池組，包括它的使用情況，它的管理應用之間的關系。

　　我們現(xiàn)在看一下電池產(chǎn)熱，我們大家都知道電池安全性熱控制最關鍵，做電池考慮兩個方面，一個是產(chǎn)熱低，第二個散熱好。我們怎么考慮產(chǎn)熱低？我們產(chǎn)熱分兩個方向，一個是物理產(chǎn)熱，一個是化學產(chǎn)熱。散熱好了，我們一系列的工作要去做分析。熱效應分了很多熱效應，不過多說。

　　主要看電池，我們有物理產(chǎn)熱和化學產(chǎn)熱，熱來源主要來自于反應熱、焦耳熱等等，這幾個熱在下一步工作中我們怎么控制？怎么解決是非常重要的，跟材料、結構有一系列的關系。在設計控制上，在分析它的產(chǎn)熱機理，導熱機理、包括它的散熱，我們怎么從設計控制上讓散熱性能更好，產(chǎn)熱會更低？

　　這就是我們要在一系列工作上去做的，比如說結構上、體系上，從材料上，包括工藝嚴格設計上，就是我們所說的要控制極化。包括我們分析材料的部分，隔膜是我們電池的主要材料，它的熱導性是比較差的。從這里大家可以清楚地看出來，負極整體的導熱性能要好于正極。從電池體系來分，目前在整個電池技術領域上，分成四大類，包括從多孔態(tài)，液態(tài)等等。我們怎么來解決物理極化問題？首先解決物理的極化問題，包括怎么樣從工藝上解決降低化學阻抗，降低化學產(chǎn)熱，提高鋰子交換。還有就是電池結構的設計，怎么樣能夠讓散熱更好？產(chǎn)熱會更低？

　　下面我們從具體的材料進行一系列的分析，我們在電池材料中大約有這些是主要的材料，我們看一下鋁膜的熱分析。這個很有意思，隔膜性能對比分析，從這個膜可以看到它的體表面積是非常大的。還有從控精和孔率來看，還有從比表面積來看。然后再看熱膨脹系數(shù)，材料膜從本身和結構膜來看，結構膜熱膨脹系數(shù)高于材料膜，在日后給大家一個建議，我們在膜方向使用上有更多的選擇。從這一點大家可以看到，在130度的時候，結構膜上來看，出現(xiàn)了一個吸熱峰，結構膜在130度的時候已經(jīng)開始出現(xiàn)了熱不變，但是在材料膜上區(qū)別還是很大的，很穩(wěn)定。

　　這個是我們同體系膜不同材料做的測試，還是有一些差別的。這個是在PVDF膜熱性能的比較，這個是電解液的性能，包括電解液所有的物理表征，從表面張力，從這里可以看到，60度之前我們要求還是很穩(wěn)定的，而且在60度的時候發(fā)現(xiàn)了鋰子躍遷非?？臁?/p>

　　這個圖說明了一個在分解前，一個是在溶劑參與后的反應，有助于給我們做一個參考。這個我們從各個溫度點來測定了整個電解液不同溫度時間下分解的不同的氣體所帶來的效應，我們要很關注這些氣體的一些成分。這個是整個ARC測試。這個是整個對接觸角的測試，因為正極也好，負極也好，它的相容性都有關系，電解液什么樣情況下接觸角在什么情況下是可控的，而且達到我們所希望的預期。

　　這個是在滿電態(tài)一個正極情況下的曲線，大家可以看到，它是有區(qū)別的，在十度之差，包括負極的也是在十度之差。這是不同材料，使用的是同一種電解，它在做ARC測試的時候，兩種都是三元材料，它的熱拐點、溫度點是不一樣的，也就是說不同材料在熱傳導上都會有不同的系數(shù)要求，包括不同的負極也是一樣。這是同一種材料在不同電解質里面的曲線。

　　我們再看一下正極材料，我們叫不同鋰金屬氧化物材料，我們發(fā)現(xiàn)了我們在這里舉出兩種材料，主要針對三元材料和磷酸鐵鋰材料，這是它的力度、結構的一些常規(guī)物理變化。這里給出了鈷酸鋰的熱含變化曲線。這個是分解的變化。

　　我們重點介紹下面的幾個點，現(xiàn)在大家看一下三元材料，這里代表的是指NCM，未充電情況下，可以發(fā)現(xiàn)在250度之前，兩種材料的熱含變化是基本上很相近，沒有什么大變化，在250度之后，一個是在400度，一個在500度，會發(fā)現(xiàn)不同的峰值，在250度之前，對材料來說都是很穩(wěn)定，在250度之后，三元材料出現(xiàn)了兩次放熱，但是磷酸鐵鋰只有一次。這個是在充電情況下，大家可以從曲線圖看到，滿電態(tài)放熱磷酸鐵利是高于三元材料的。從熱反應速率來看，三元材料中它的熱反應速率是高于磷酸鐵鋰的，磷酸鐵鋰整個熱含量大于三元材料，而且它一旦出現(xiàn)熱失控帶來的負反應能量是非常大的。

　　從這個圖上我們很清楚地比較出了三元材料與磷酸鐵鋰之間的關系，紅色的是磷酸鐵鋰的值，黑色是三元材料，大家從這個曲線可以看到什么呢？法點啟動是不一樣的，三元材料是在60度已經(jīng)開啟了熱跟蹤法值，但是在磷酸鐵鋰99度才凱奇。其實我們在動力電池設計中，我個人認為，并不是說最理想，我們在設計要跟蹤抓住這個熱含系數(shù)的變化，但是磷酸鐵鋰熱含系數(shù)一直很低，一直是沒有太多的大的熱含變化。但是一出現(xiàn)的時候已經(jīng)到了拐點，不可控制了，失控了。但是在三元材料一直是線性的系數(shù)，而且在熱失控法點的時候，其實三元材料的法點值高于磷酸鐵鋰。

　　我們大家可以看到，磷酸鐵鋰熱膨脹系數(shù)是三元材料的兩倍，大家知道電池動力學，我們現(xiàn)在在界面的問題，我們一年后到一年半后的問題怎么樣解決？我們在這里已經(jīng)看到。這個是負極材料的分析，這個是常規(guī)性的分析，我不做過多的介紹。負極的還是蠻穩(wěn)定的，因為在600度的時候還是比較小，不論是MCM等等都是很穩(wěn)定。但是它的熱膨脹系數(shù)都是一樣的，但由于肌體材料厚度不一樣，整個膨脹率還是有差別的。

　　我們歸根結底大家可以看到這張表，我們發(fā)現(xiàn)了整個隔膜的溫度變化點，我們要注意的是什么？它和材料的正極負極及隔離膜之間的熱含變化等等。

　　我們看看整個電池要做好動力電池需要從哪方面理解？動力電池剛才說了不光是在材料上，其實要和很多的工藝、裝備、系統(tǒng)，包括整體使用系統(tǒng)的設置和控制，都要結合在一起，才能有效地解決這個問題?，F(xiàn)在一些核心技術，我們在這里主要是體現(xiàn)在膜的技術上等等。

　　現(xiàn)在看一致性的控制，它也是很多的，包括阻，溫度和SOC系的關系，包括在什么時候測它的SOC系是最穩(wěn)定的，這都是我們給大家的一些建議。包括它的交流阻抗，磷酸鐵鋰、三元材料我們做成同種電池進行測試，發(fā)現(xiàn)了多種聚合物的優(yōu)勢，我們發(fā)現(xiàn)都是一樣的，但是不同體系，不同材料中，多孔聚合物的阻抗是最小的。

　　這是它整個的循環(huán)數(shù)據(jù)測試，不同溫度點的，SOC系衰減。電池的低溫度，我們在零下40度它的放電效率。它的安全性，和它整個電池結構的設計，大家可以看到它的動力性我們怎么設計？它的安全性非常突出的，而且物理破壞之后，還持續(xù)供電，不產(chǎn)熱。

　　這是它的出能性電池的測試，好，我們電池性能做了一個表進行了一下比較。

　　現(xiàn)在看一下電池系統(tǒng)的設計，包括怎么樣防止氧化、怎么樣防止降低歐姆阻抗，這都是我們做技術人員要考量的。這個是怎么系統(tǒng)控制上對電池的幫助。最后我們怎么樣考量散熱的問題和溫差一致性的問題，因為3度的溫差是最理想的，但是怎么樣做到？散熱等等是我們要考慮的問題。我們現(xiàn)在設計溫場的設計和流體力學怎么樣設計CFD？基本上數(shù)據(jù)模型都是根據(jù)這幾個來的，包括整車，電池的性能指標和整車的數(shù)據(jù)指標都要結合在一起，整個邊界條件，包括數(shù)據(jù)模型。

　　也就是說最后我們來做這個電池組設計的時候，要考量它的邊界條件，我們怎么能控制好熱差是非常重要的，散熱條件是非常重要的指標，能保證電池的有效壽命得以提升。整個產(chǎn)品要有一個系統(tǒng)化，從單體到系統(tǒng)，我們要有一個系統(tǒng)化的設計。然后還要和整車的一些工作要對接，也就是包括整個車輛的設計，電機的匹配等等，車廠、車企和電池企業(yè)，材料企業(yè)，裝備企業(yè)是密不可分的，不是一個人的事情，是整個系統(tǒng)的事情。

　　我們在一些使用應用上也得到廣泛應用，不論在充電市場，換電市場等等都得以推廣市場，這是我們整個團隊的一個介紹，謝謝大家！

　?。ㄒ陨蟽热莞鶕?jù)論壇現(xiàn)場速記整理，未經(jīng)發(fā)言者本人審閱。）