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中航鋰電安全策略“揭秘”

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動力電池安全正在成為電動化進程中最大的“灰犀牛”,也是電池企業(yè)攻堅克難的方向。

動力電池安全正在成為電動化進程中最大的“灰犀牛”,也是電池企業(yè)攻堅克難的方向。

近日,中航鋰電電池研發(fā)部負責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)計奧秘,闡述了中航鋰電安全領(lǐng)域的開發(fā)方向和進展。

作為裝機量穩(wěn)居前三的實力派選手,中航鋰電依靠對電池安全的深刻理解,在制造嚴謹、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”、“產(chǎn)熱慢,放熱少”、“隔熱準,散熱快”、“預(yù)測準,發(fā)現(xiàn)早”的產(chǎn)品特點,具備獨一無二的安全技術(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)熱點可能導致電池內(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致的劣化缺陷;三、事故或不正確使用導致的濫用缺陷。

那么缺陷如何引發(fā)安全問題,則需要重點了解產(chǎn)熱或失效機理。異常熱量來源有內(nèi)短路、外短路導致的焦耳熱,也有材料分解、界面反應(yīng)等引起的化學熱,而在當前的材料體系下,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)熱速率與危害度遠高于其他類型,這也是當前導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致這種短路模式。因此,中航鋰電很多工作都是以此為重點去開展分析及預(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)警等多個維度進行全面布防。

第一個維度是“起點預(yù)防”,指如何避免初始缺陷的產(chǎn)生,尤其是制造缺陷,進而避免初始異常產(chǎn)熱點。

中航鋰電根據(jù)制造過程去尋找缺陷可能產(chǎn)生的路徑,從失效機理來分析缺陷造成的后果嚴重度,進而去分解、確定管控點。

每個電芯生產(chǎn)制程的管控點多達數(shù)千項,中航鋰電憑借行業(yè)領(lǐng)先的制造和檢測能力,以及最嚴謹?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)計創(chuàng)新來減少需要管控的點,在起點上解決和避免問題。

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)計上避免模切殘留等缺陷,并有助于提升極耳膠強度,該技術(shù)目前已在疊片全系產(chǎn)品上導入,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)計理念貫徹到底,回歸目標和功能本質(zhì)對電池進行重新設(shè)計和整合。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體系層面改進,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不止元素比例,包括前驅(qū)體的顆粒設(shè)計、鋁鈦鎢鋯等各種元素的摻雜和包覆設(shè)計以及燒結(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化定制設(shè)計,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)計的深刻理解,找到高鎳材料安全的解決方案,中航鋰電堅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,來解耦正負極材料、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,正向進行最佳的體系搭配設(shè)計。

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熱失控抑制的解決思路。

2020年三季度其已經(jīng)拿出成熟的方案來支撐主機廠,跟中航鋰電深度合作的各主機廠已經(jīng)在全系新車型中導入完畢。

阻斷方案實現(xiàn)后,中航鋰電進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現(xiàn),這要求企業(yè)具備非常深厚的正向定量設(shè)計能力。

2021年,中航鋰電基于對于傳熱學基礎(chǔ)理論的靈活應(yīng)用、熱失控機理的認識、材料體系級別的分析、電池級別新評價方法的開發(fā)以及大量的實驗數(shù)據(jù)積累,自建了專用的熱失控抑制仿真計算工具,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)計和驗證方法。

正是因為有這樣定量的正向設(shè)計能力,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)生之前實施維保措施從而提升用戶體驗。

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多輛車的運行數(shù)據(jù)。

基于該平臺,其通過進行大量正向的缺陷植入、異常模擬實驗,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練不斷校正和修正,并開發(fā)新算法來更精準的實現(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)鏈進行打通,更高效、更準確的實現(xiàn)電池全生命周期的故障預(yù)防和價值拓展。

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