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【专家观点】清华何向明:锂电池五分钟快充?不可能!

来源:华夏储能 | 发布时间:2017-11-26

11月23日,清华大学能源研究所何向明教授出席某会议,针对电池的一致性和安全性问题,发表了题为“锂离子电池的一致性和安全性”的演讲。

以下为演讲实录:

新能源汽车是中国的一个大势所趋的发展方向,无论是储能还是车上的电池都是非常重要的部件,近些年来我们开展了大量的研究工作,今天给大家带来的就是这段时间我们对电池应用方面的思考。

我的报告分为两个内容:一个是电池的一致性,另一个是电池的安全性。比如,韩国的Note7爆炸了,iPhone又鼓胀了,这到底是什么问题呢?下面我们就来分析一下。

一、电池的一致性问题

1.串并联引发电池一致性问题

首先,电池的一致性问题。过去手机电池都是单块单块地使用,但是大规模储能和基站储能都需要很多的电池连在一起。以特斯拉作为一个典型的例子,大约是7000-10000块小电池通过串并联得到。这时,如果电池不一致就会发生很多问题。

第一,并联情况。三块电池并在一起,理想来说电流是平均分配给每个电池的,但实际情况下每个电池的电流并不一致,也有差异的特性。所以,电流不会平均分给每一个电池。早期电流是不一样的,但是由于三个电池的容量是一样的,早期的不一样到了最后要充满的时候会发现,早期电流小的最后就会突然增大,这会影响电池的发热,进而电池系统也会产生不一致的情况。

第二,串联情况。串联的情况更严重一些,不一致就会导致有些电流先到达充电电压,如果不做控制就会出现过充过放,会对电池有损害并且造成安全性的问题,如果控制的话电池的容量就发挥不出来,最先到达电池的容量控制了整个系统的容量,这样对电池系统容量的发挥也是非常不利的。

2. 一致性串联筛选的新方法

一致性是这个行业最大的问题,对此我们提出了用串联充放电来进行一致性筛选的思路,具体怎么做呢?所有从工厂出来的电池一致性做过筛选,然后把它进行串联,串联以后再进行充放电,这样筛选一致性会有非常多的好处。

第一,只要选一个电压就可以进行筛选,参数比较单一,而且简便快捷。第二,串联的电流绝对值相同,这样就可以避免设备的误差,因为所有通过电池的电流都是一样的,串联充放电就是基于这样一个思路。

我们提出的一致性串联筛选方法具有简单、快捷和有效的特点。因为这种方法下,每个电池的电流是绝对相同的,所以消除了设备误差的一致性筛选的影响。另外,我们只用一个电压指标就可以评判它的一致性,这样的话比较容易进行统计和比较。

3.日本一致性最好,中、韩处于同一水平

我们选了市场上的五家典型的电池,两家韩国厂商、一家日本厂商和两家家国内厂商,通过这些电池进行一致性的筛选研究。我们把每家厂商的电池拿来进行称重,发现国内厂商和国外厂商的在称重误差方面有差距。原因在于注进去的电解液的差异,这必然造成电池一致性的差异。

通过一些筛选结果和数据,最后我们看到日本的电池还是一致性各项指标都是最好的,第二和第三的是中国和韩国的企业,可以看出日本的电池还是高人一等的,国内和韩国的制造水平在一致性上是差不多的。

我们选择了韩国的电池串联循环,筛选以后发现循环性能很好,它的特性和单体电池的特性是基本相当的,证明这种筛选方法非常有效,并且非常简单快捷,一个参数就可以把电池的一致性表现出来。

二、电池的安全性问题

锂电的安全性全世界都很重视,很多机构制定了一些标准,这些标准都非常严格,即便许多产品也都可以通过这些标准,但它们中间还是有事故发生,所以通过标准的产品也不能保证其安全,这是在业内非常让人头疼的问题。

1. 滥用安全性可预测

安全性到底是什么?

我们可以分成两类:一种就是滥用安全性,目前我们的检验标准都是这种,包括电的过充、短路、加热、火烧。滥用安全性是可以预测的,每个电池都是实用的,而且通过测试进行评估可以做到可控。

另一种是自引发安全性,无法通过测试预测,不知道什么时候着火,目前没有任何方法可以完全消除。比如三里屯的车着火都很大,所有目前的手段都不能完全克服。

2.锂离子电池安全隐患诱因:内短路

什么叫做化学内短路?就是有金属异物跑到电池里面,充放电的过程当中正极会被氧化,切到负极还原以后就会长成一个金属枝晶。

我们可以做个实验来证明这个理论,就是在做电池的过程当中,正极撒上一些不锈钢的粉,电池装完了以后拆开,我们发现负极上有些黑点,分析这些负极黑点的金属和正极不锈钢的成分是非常一致的,所以证明这些不锈钢粉撒在正极里面,通过充放电完全迁移到了负极。实践当中我们发现铜、铁和不锈钢都很容易在电池里面出现,使电池产生内短路。

电池当中还有锂枝晶的问题。所以必须把充电电流放得很低,常温下也不能太高,一般来说对石墨负极正常设计的话,它的充电分水岭是1摄氏度,超过1摄氏度都会有锂电泄出。很多人开发了五分钟充电、一分钟充电,但是你都看不到产品,因为科学已经决定了超过1小时充电都会有问题。大家都希望快充,但科学上还要做很多的工作,现有的电池体系是不可能做到的。

另外隔膜瑕疵也很重要,如果中间有一个粉尘掉上去堵住了,充放电的过程当中锂就过不去,会在周围沉积,这样就比较容易形成锂枝晶。

3.安全性的风险控制:化学材料的改进

这些课题组应该怎么办呢?我们挑了几个主要目的产生安全事故的点然后进行分析。我们到工厂去看有什么问题,包括设计、制造和管理要特别注意的点,后来我去了一个工厂几次以后它的事故率就大幅度降低了。

从我们得到的产品来看,通过化学的方法使内部的放热量降低,包括一系列的措施,我们希望电池不发生热失控,按照这个思路研发了一些新的化学材料,使电池比较稳定,最后进行短路实验、过充电实验、穿刺实验等等,证明这个方法是安全可行的路径。

我们认为,一致性串联筛选方法可以简单、快捷、有效地进行筛选,通过测试可以对目前锂离子电池的随机安全性进行评估。其中,日本的制造业确实比较好,他们的一致性、安全性都是最好的,目前我们国家和韩国基本处于相当的水平。通过化学的改进,锂离子电池的安全性是可以被逐步攻克的,这是我们近几年得出的结论。