聚焦“雙碳”目標

　　如何讓能源變革驅動時代躍遷？

　　如何通過強大的創造力

　　從根本上解決電池安全難題？

　　用“芯”守護美好生活？

　　2021年10月21日，以“汽車+X，雙碳背景下汽車科技創新”為主題的2021中國汽車工程學會年會暨展覽會（SAECCE 2021）在上海汽車會展中心舉辦。此次會議結合汽車電動化、智能化、網聯化、共享化的發展趨勢，深度探討如何快速推動技術創新，重塑新型產業格局。

　　中航鋰電電池研發部負責人郭其鑫受邀參會并作主題報告，深入分享了中航鋰電不起火動力電池及技術的設計奧秘。

　　以下是演講全文：

　　很榮幸能夠有這次機會跟各位專家、各位同仁交流分享。作為國內最低調的實力派電池企業，中航鋰電近一年多的裝機量穩居國內前三，其中三元電池排名前二。有這么高且穩定的裝機量一定是基于各主機廠對我們的認可，其中非常重要的一個原因則是中航鋰電電池的安全表現，可以說是頭部電池企業里最優秀的。現在我就跟大家分享一下中航鋰電在電池安全方面的開發方向和進展。

　　電動汽車、動力電池為什么會起火，很多高校的課題組都在做這方面的研究，有很多非常有價值的學術成果，我今天則會偏重于用工程化的方法，化繁為簡，用更通俗易懂的語言來把其中的關鍵問題和應對方法講明白。

　　1.電動汽車熱安全問題根源

　　簡單來講，熱安全的問題起源于異常產熱，一個異常集中產熱點就可能導致電池內部的連鎖反應，而在缺少有效阻斷措施的情況下，這個連鎖反應就會在整個電池包上不斷發生，從而最終導致整車的安全事故。正常運行的高品質電池是不會出現這種異常產熱的，而異常產熱的出現是因為缺陷的存在。缺陷主要來源于三個方面：一是制造過程即存在，而出廠未檢測到的制造缺陷；二是使用過程中因可靠性問題導致的劣化缺陷；三是事故或不正確使用導致的濫用缺陷。這些缺陷往往才是導致后面一系列連鎖反應的最初起點。缺陷是如何導致安全問題的，那就需要簡單講一下主要的產熱或失效機理。異常熱量來源有內短路、外短路導致的焦耳熱，也有材料分解、界面反應等引起的化學熱，而在行業當前的材料體系下，絕大多數的起始異常產熱都是由于內短路引起的，尤其是負極嵌鋰石墨-鋁箔的短路模式。這種短路模式的產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，像殼內異物、極耳翻折、模切不良都可能導致這種短路模式，所以我們很多工作都是以這個為重點去開展分析和預防。

　　2.多維度解決熱安全難題

　　要徹底避免熱安全問題，必須要從起點預防、電芯加固、系統阻斷和預測預警等多個維度進行全面布防。

　　第一個維度——“起點預防”，主要是指如何避免初始缺陷的產生，尤其是制造缺陷，從而避免初始異常產熱點。我們根據制造過程去尋找缺陷可能產生的路徑，從失效機理來分析缺陷造成的后果嚴重度，從而去分解、確定管控點。每個電芯生產制程的管控點有數千項，中航鋰電憑借行業領先的制造和檢測能力，以及最嚴謹的管理方法來保障出貨產品的質量。但只要需要去管控，就仍然存在管控失效的風險。那該怎么辦？我們從源頭，依靠設計創新來減少需要管控的點，在起點上解決和避免問題。中航鋰電在2020年推出的“DBW”全極耳極簡直連技術，省去了極耳模切工序，從設計上避免模切殘留等缺陷，并有助于提升極耳膠強度，該技術目前已在疊片全系產品上導入，客戶應用反饋十分良好。在今年全球新能源汽車大會發布的“One-Stop Bettery”將創新設計的理念貫徹到底，回歸目標和功能本質對電池進行重新設計和整合。其中第一代“One-Stop Bettery”就將疊片、入殼、焊接、包膜等裝配段十道工序，通過設計優化整合為三道工序，從而徹底避免殼內異物、電芯夾傷等缺陷發生，從起點提升電池產品的安全性能。

　　第二個維度——“電芯加固”，主要指如何在電芯材料和化學體系層面進行改進，使電池的熱穩定性更高、對缺陷的容忍程度更高。首先正極材料的設計，大家可能有一些認識，高鎳材料的熱穩定性差，中低鎳材料的熱穩定好。但其實影響正極材料熱性能的因素遠遠不止元素比例，前驅體的顆粒設計、鋁鈦鎢鋯等各種元素的摻雜和包覆設計以及燒結工藝，都會對材料的結構穩定性和界面穩定性造成很大影響。中航鋰電的正極材料正是基于這些精細化定制設計，才造就了優異的安全性表現。同樣鎳鈷錳比例電池，中航鋰電產品對于微短路的包容能力、劇烈產熱溫度起始點都有明顯提升，失控的總產熱量也大大下降。正是因為對材料設計的深刻理解，找到高鎳材料安全的解決方案，我們才敢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。

　　除了正極材料外，電解液和材料體系的搭配對于電池安全性也至關重要。合理的體系搭配會提高初始的產熱溫度、降低反應的總放熱量，會延緩甚至阻斷連鎖的放熱反應。在這里面我們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系，找到里面的關鍵影響因子，再根據這些影響因子，正向進行最佳的體系搭配設計。

　　通過前兩個維度的措施，我們已經可以將電池的熱安全問題發生幾率降到很低了，但是如果追求徹底的零安全事故，我們還需要一道屏障，這就要講到第三個維度——系統阻斷。

　　第三個維度——“系統阻斷”的主體在于“疏堵結合”，也就是隔熱和散熱共同實現熱連鎖反應阻斷。這個大家一定都不陌生，因為今年“彈匣電池”“大禹電池”等也都做了很多宣傳。其實很高興看到行業各家都在大力氣宣傳，因為它代表了行業對這種疏堵結合理念和方案的認可。中航鋰電在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年三季度我們就已經拿出了成熟的方案來支撐主機廠，跟我們深度合作的各主機廠現在已經在全系新車型中導入完畢。

　　在阻斷方案實現之后，我們現在追求的是如何更高效，即如何制定最合理的阻斷方案，用最低的能量密度損失、最少的額外成本付出來實現，這需要非常深厚的正向定量設計能力。我們在2021年，基于對于傳熱學基礎理論的靈活應用、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以及大量的實驗數據積累，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、系統級別的仿真、設計和驗證方法。正是因為有這樣定量的正向設計能力，才保證了中航鋰電能夠提供最高效的熱抑制解決方案。

　　最后一個維度是“預測預警”。通過前三個維度的措施，我們已經能夠把“熱安全事故”降低為一般故障了，但我們還希望能夠更早的發現故障，可以在故障發生之前實施維保措施從而提升用戶體驗。中航鋰電建立了自己的大數據平臺，目前已接入80000多輛車的運行數據。在這里，我們通過進行大量正向的缺陷植入、異常模擬實驗，來探測不同缺陷對應的數據表現，并基于此開發了對應的故障算法。接下來會基于模型訓練不斷校正和修正，并開發新算法來更精準的實現預測預警。另一方面，我們正在建立數字電池平臺，將從原材料到制造全過程再到應用全過程的數據鏈進行打通，更高效、更準確的實現電池全生命周期的故障預防和價值拓展。

　　3.總結

　　最后簡單總結一下，中航鋰電依靠對電池安全的深刻理解，在制造嚴謹、材料穩定、體系匹配、結構系統和預警有效等五個方面共同打造了完整的電池安全體系，形成了“優制造，缺陷少”“抗缺陷，耐熱強”、“產熱慢，放熱少”“隔熱準，散熱快”“預測準，發現早”的產品特點，從而造就了中航鋰電產品獨一無二的安全技術優勢。最后，希望在未來的日子里，能夠與各位行業同仁有更多的交流與合作，一起為新能源汽車產業發展，為“雙碳”目標達成貢獻應有的力量，謝謝。

　　中航鋰電不起火動力電池及技術的分享，吸引了業界人士的高度關注，現場干貨滿滿的分享收獲了電池專家及行業代表的熱烈反響。

　　中航鋰電聚焦“雙碳”目標實現，堅持實施“產品與技術領先戰略”，大力開展自主研發的同時，與產業鏈合作伙伴協同創新，持續打造產品力領先，全力成就零碳新時代，用“芯”創造美好未來。

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