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    【金磚鋰電論壇】陽如坤:再議動力電池制造安全性

    發布日期:2020-11-18

    核心提示:由深圳市電池行業協會、第一鋰電網共同舉辦的2020中國國際鋰電技術發展高峰論壇于11月2日-3日在深圳會展中心盛大召開。本次論壇

    由深圳市電池行業協會、第一鋰電網共同舉辦的“2020中國國際鋰電技術發展高峰論壇”于11月2日-3日在深圳會展中心盛大召開。本次論壇以“新技術、新應用、新發展”為主題,推動企業交流發展。

    深圳吉陽智能科技有限公司--陽如坤在本次中國國際鋰電技術發展高峰論壇做了《再議動力電池制造安全性》的主題演講,現場演講實錄如下:

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           很高興有機會在這里跟大家講講動力電池的安全性,這個題目在不同的場合講過好多次,我是感覺在這個層面上,其實怎么強調都不為過,因為也看到很多問題,今天,我想圍繞著動力電池制造的安全性跟大家說一說。

    我講的是四個方面的內容:動力電池安全性的現狀、制造安全性和本質安全性、制造安全性的表現、制造安全性的防范。

    我不想說太多,也不是點名說威馬,大家看到威馬一個月之內有4次電池出了問題。我們想重點看到的結論是電池制造過程當中混入雜志,導致電池使用的異常,這是極端情況下導致的熱失控。這是國家市場監督局公布極星出現的召回事件,共有110輛,主要問題是動力電池能量控制模塊(BECM)軟件存在內部邏輯問題,導致電子控制單元可能間歇性重置。

    這個圖片是最近曝光比較多的KONA汽車,說是LG電池出現的問題。共有25564輛車被召回,韓國交通運輸部經過調查后,宣布起火原因與“電池缺陷導致電池內部短路”有關,KonaEV車型自燃原因來自電芯。充電中、靜置未充電、行駛中都有起火事故發生。Kona EV的起火是典型的電芯起火癥狀,冒白煙,起火爆炸。

    這是去年發生的比較嚴重的事件,就是韓國23起儲能電池事故,導致儲能電池的封盤。導致著一系事故的主要原因是涂布過程當中金屬的污染混入到正負級流體邊緣毛刺,導致電池的失效,這個影響也是非常嚴重的。可以說這個事件導致韓國儲能電池幾乎遭到了毀滅。

    國內2019年79起電動汽車失火的事件,主要是乘用車,占了65%。電池的類型來看,86%由于三元電池。查明的原因中,主要還是來自于電池本身。從這個角度上來說,今天我講的內容主要是圍繞著電芯,至于電池外圍的BMS保護、使用過程當中的診斷和運維的保護,可能也起到很重要的作用,但是我們還是從根上來說,從電池來看。

    清華有一篇文章分析得非常細,電解質和電池在使用過程當中的擠壓、使用過程中隔膜的問題、電池本質的內容(鋰枝晶),目前為止,鋰枝晶生長的機理還有待于探索,這方面的內容有待深入研究。

    下面,我想說一下動力電池本質安全性的問題。這是歐陽明高院士在去年文章里面說到的,電池安全性可以歸為三類:1.電池測試不足、驗證不足。這個層面就是電池設計存在著的問題,包括邊界、定義都不足。2.車輛使用過程的可靠性的惡化。這個惡化很多是制造過程當中導致的,比如說粉塵、毛刺、基本的管控。3.還有充電過程當中引起的,還有這里說到鋰枝晶的生長快充的問題,都會導致類似的問題。

    歸結起來看,電池的失效歸為機械的濫用、電器的濫用和熱的濫用,這幾個方面導致了電池的熱失控。電池安全問題主要是在機械使用環境和制造過程的材料,還有鋰枝晶的生長,從這幾個方面來看:濫用、缺陷和機理方面的問題,這些都就是本質的安全性問題。

    從電池來看,電池安全性可以分為三類:1.設計的安全。設計安全從電池的結構(穩定性、工差、)集流設計和安全閥設計,這是在電池設計的時候要認真考慮,但是在設計過程當中還有考慮不足的地方,比如說集流設計,現在拼命把集流體減薄弱,從銅箔6微米降到4.5,到6微米的時候,一些動力電池的倍率性能能已經不能保證了,大家可以算一算,集流體的減薄是不是滿足發熱的要求?在這個層面上,我認為還是有風險的。還有電池的材料本身的安全性,包括正極、負極、隔膜、電解液、殼體、密封件。2.今天我講的是制造安全性,就包括制造過程當中的制造精度、毛刺控制、粉塵、連接制造、極片保護、極片膨脹。3.使用過程的安全性,限于時間,就不展開說。

    電池制造安全性的定義還是在這里跟大家說一說,主要指電池材料或電芯制造過程中引入的電池不安全和不安全的因素導致。從定義上可以看到,我們認為電池設計按照理想的條件,本質上來說,選擇的材料、設計和結構,都是安全的,我們把它叫設計安全性,在設計過程當中一定考慮材料是安全的。在電池的不安全,我們認為是由于制造過程中的精度、扭曲和管控不當,引發的不安全。我認為從這個角度來看,制造帶給電池的不安全是本質性的,是屬于本質安全問題。這個問題是其他過程條件下很難回避掉的,是我們必須認真考慮,并且這個過程和因素還非常的復雜。

    我在這里把制造安全性分兩個方向,大家可以看一下:1.制造質量;2.制造環境控制。從這里可以看到漿料有加料的精度,加料過程當中混入雜質,或者是加料輸送過程的沉降都會導致安全性。可能沉降之后,密度都會發生變化,漿料也會發生變化。還有極片的制造、極片的厚度、尺寸、棍軋分條尺寸,這些都會導致電芯安全性問題。還有芯包制造過程當中:模切、疊片、卷繞、毛刺、對齊,都會導致安全問題。更不用說裝配過程的虛焊、超聲波、掉粉,在電池尤其是電芯生產過程當中,拆解國外的電池,發現里面最好不要用兩次超聲波焊接,但是現在很多動力電池在連接過程當中都是用到了多次超生波。從設計來看,第一次超聲波的時候,這個粉掉下來沒有那么嚴重,第二次焊接的時候,發現掉粉嚴重。這些粉塵沒有很好地管控,跑到電池里面去了,這個安全是可想而知的,帶給我們還是非常大的威脅。在化成分容,大家認為是很安全的,但是也會有不安全,比如說電流的精度、時間、化成制度的不同,都會導致電池安全隱患。尤其是化成制度、最小電流的時候,會給電池安全帶來很多的問題。

    還有環境的控制,對于鋰電制造來說,它是最復雜的,比半導體制造還要復雜。簡單地說,半導體制造帶來的問題只是合格率的問題,電池制造的環境問題帶來的是安全的問題。這些安全問題包括溫度、濕度、壓力、粉塵、異物、真空,都對電池產生影響。從這個角度來說,電池制造安全性是非常復雜,影響因素也很多。這里可以說是草木皆兵,每一個環節都可能對電池環節帶來問題。

    限于時間,就把芯包制造安全問題跟大家簡單說一說。我們有一個簡單的原則,電池里面一旦混入雜質或者是縫隙,就會帶來電池的安全性。比如極片間存在空隙,鋰離子就跑不過去,就會產生枝晶,枝晶的堆積,結果大家可想而知。

    這是LG公布的這兩個電池使用過程中會出現變形的圖片,就是極片使用過程當中,負極會出現膨脹,剛剛劉總介紹的時候說,硅碳充放電時的膨脹是非常大的,跟碳復合之后會好一些,但碳負極的膨脹就有到4-6%的程度。這樣一個過程大家可以想像所有的電池在充放電過程當中都會發生這樣的變化,相當于電池是在呼吸的過程。充電的時候,鋰離子從正極跑到負極,負極膨脹。放電的時候,負極鋰離子跑到正極就會收縮,收縮了又不會全部收不會去。這是今天看到很多電池會出現GAP的問題,我個人認為GAP問題完全不是通過制造解決的,這是電池本身的本質問題。限于時間,不把這個展開說,我想告訴大家一個結論,所有的圓形卷針和橢圓形,壓扁了之后是不會有縫的。現在用菱形的卷針,在3C電池里面用得很多,都是有縫的,你們可以推這個公式。從制造角度來說可以回避拐角的地方出現GAP的問題。

    這個GAP問題是什么時候形成的?就是電池在充放電過程當中慢慢形成的。什么慢慢形成?負極在膨脹的時候,上下是壓緊的,這個電池會往一邊膨脹,膨脹過程當中把正極撐出去,回來的時候正極就回不來了。每次充放的時候膨脹,再回來;膨脹,再回來,就會導致GAP的形成。拆解的電池大家也可以看到,所有電池拆的方形卷繞電池沒有一個不出現這種情況的。我個人認為,卷繞方型不是制造問題,這個問題只能是改變電池的結構才能解決。你們都有手機,通過循環100次之后所有電池拆開看一下,都會是這樣的現象。拐角的地方要么是掉粉,要么是有一些枝晶的產生。要解決這個問題,目前有個辦法是富于的電解液,注電解液的時候過量。大家知道循環過程當中,電解液會逐步的干枯,干枯的時候能保證拐角的地方還會有電解液。這個縫也就是幾十個微米,不到半個極片的厚度,有的可能是幾個微米的程度。

    這個是我在網上看到的電池拆開圖片,不是我拆的,大家可以看一下。在拐角的地方,包括鋰的分布情況,大家都可以看到。

    這個是圓柱電池,大家可以看到圓柱電池在使用過程當中膨脹,帶來圓柱電池的問題,圓柱電池還有其他的問題,由于膨脹過程當中極片的變形,最終導致出現問題,相當于枝晶的生長。

    我們也想到了監控OVERHANG的方法,用CCD的技術,來把電池OVERHANG進行很好的控制,限于時間就不多說了。

    下面想簡單地說一下疊片,剛剛說的是卷繞,對于動力來說,GAP問題是沒有辦法回避的。大家知道疊片有很多的優點:內阻小、容量高、極片變形小、適合未來高容量的正極片、滲液比較好、對極片柔性比較低,還可以把電芯做得比較厚。還有缺點,邊緣多毛刺難以控制,連片問題不能杜絕。過去把極片放到料盒,料盒對極片傷害很大,掉粉也是一堆一堆的。疊片還有效率的問題。目前很多疊片機的性價比還不能跟卷繞機比較。
    毛刺目前有這樣的解決辦法,用激光來控制毛刺在10微米以下,還有隔膜使用過程的不均勻,導致隔膜的拉伸。我們認為目前尋找到疊片效率在0.1-0.15秒每片的機器來解決這樣的問題。

    這個是LG公布的卷繞電池和疊片電池變形,這個還沒有經過循環,只要我們卷繞完、熱壓之后,就能看到這樣的現象。這個是疊片電池的隔膜變形的情況,這個是星源的隔膜,這是隔膜的拉伸曲線,從這個曲線可以得出重要的結論,是什么呢?如果用這樣一種“Z”字型的疊片,隔膜張力從0會變到最大。什么現象呢?開始的時候張力是很大的,到了最后張力又變小,隔膜的拉伸可想而知是什么情況。大概就是這樣的情況,你們可以看到這樣一個結果。

    從這里可以把隔膜拆開做電鏡,就會導致隔膜這樣的結果,它是不均勻的狀態。我們也做了隔膜的拉伸實驗,我們這里得到一個很重要的結論,就是隔膜在不同的拉力下,它的回彈實點是不一樣的,這個不一樣對于疊片的間距就發生了變化,從10N到20N的張力變化,可以看到一次拉伸和二次拉伸導致的隔膜回彈孔率發生變化,這是重要的影響。

    未來的電池一定是疊片的,因為疊片最適合電池的充放電的狀態,大家可以從這個角度看到,充放電過程當中,極片正負極是像風箱一樣拉伸膨脹和收縮,這樣就不會有剛剛鋰離子運動不均勻,或者是導致的其他問題。從這個角度來說,未來高精度電池,或者是更好的電池性能角度來說,應該是這樣一種電池結構。這樣的電池結構應該走這樣的技術路線,保證隔膜是恒定張力,通過復合、加熱,把隔膜和極片復合,來解決疊片的問題。LG公司是做得不錯的,做了復合式的疊片,但不是說就很完美,如何保證階段過程當中的毛刺控制、生產過程的環境控制,對我們來說也是很要命的問題,也需要我們解決的問題。這是疊片電池。

    這個是我們做的疊片電池復合結構,我們還在做更高速的結構,這個是MEB590的情況。

    電池制造安全性,卷繞電池和疊片電池在制造安全性上怎么回避由于隔膜收縮和變形、負極的膨脹和收縮帶來一些問題,制造上、電池結構上怎么回避。電池制造安全性應該是系統性的方法,首先系統性的方法我們認為要建立一套數據體系,數據體系從輔助設備、過程和環境,從物料數據獲取,通過一套體系化的數據結構,來建立制造過程的原數據模型、數據字典,對數據進行清洗、分析,最后建立制造過程的模型,以此達到數字控制的目的,這是我認為保證電池制造安全的體系化結構,也是電池智能制造的體系化結構。


    從控制電池制造安全性上,要點就是以下幾方面:尺寸控制、設備控制、水分控制、毛刺控制、粉塵、極片保護。把每一點進行細化、嚴格的控制,才能保證制造過程的基本安全性。從這個角度來說,控制電池的安全性也是任重道遠,這里面的確有很多問題,有可能裝修過程當中門縫開一個小的縫,雜質從這個縫進來就會導致問題。這不是危言聳聽,松下就是通風口出現了問題,就導致一批電池浪費掉了。

    這是中汽研王芳團隊做的電池性能和充放電曲線,大家可以看到這個給我們很重要的提示,就是電池在使用過程當中是可以管控的,蔚來的汽車是不是也用了這樣的原理?還是非常有參考價值的。在電池使用過程當中,電池出現了問題,是可以通過測試過程去監控到電池的變化。這些變化對于管控電池是非常有價值,也是非常有意義的。

    2019年底發布了鋰離子電池生產設備通用技術要求,大家可以看到的跟過去發布的標準還是不一樣的,我們花了4年的功夫把電池的生產設備的基本要求在這里做了規范。當然,我們希望這樣的規范能夠對行業帶來一些價值,這對設備的選擇、使用上,帶來一些價值。這是我講的體系化管控的方面。

    好的,我講的就是這些內容,也就是動力電池在制造過程當中面臨的問題怎么管控的方面,謝謝大家。



     
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