◎ 李哲，清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任

【導(dǎo)語】：

2022年3月25-27日，中國電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇（2022）在京召開。大會(huì)以“迎接新能源汽車市場化發(fā)展新階段”為主題，深入探討了我國新能源汽車由政策與市場雙驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向以市場驅(qū)動(dòng)為主的新階段所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。在27日召開的動(dòng)力電池論壇上，清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任李哲就“動(dòng)力電池的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)以及在這一先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)推動(dòng)下的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)研發(fā)模式變革”發(fā)表主題演講，全文共分三部分，以下為第一部分“動(dòng)力電池的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要完成什么樣的任務(wù)”。

第一部分我們講一下，動(dòng)力電池的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要完成什么樣的任務(wù)。

電池性能的成因比較復(fù)雜，我們認(rèn)為它滿足以下的乘法公式，是材料發(fā)展水平、電池設(shè)計(jì)水平和制造水平的乘積。

電池性能是否唯一和材料性能劃等號(hào)呢？過去的150年，從鉛酸電池發(fā)展到鋰離子電池，電池的關(guān)鍵性能、能量密度大約提高了5-10倍。2000年以后，在單顆粒實(shí)驗(yàn)這些典型的電池實(shí)驗(yàn)技術(shù)推動(dòng)下，人們有了新的發(fā)現(xiàn)。

Dokko教授在單個(gè)顆粒實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行的充放電實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，單個(gè)鈷酸鋰顆粒在126C下充放時(shí)，容量的保持率依然大于80%。同樣是鈷酸鋰的正極材料，制成單體后它的大倍率放電能力大約要下降1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。大家都有概念，單體的放電倍率對(duì)于高能量電池來說一般在幾C，甚至1C、2C。

有了好的設(shè)計(jì)以后，要想變成好的真實(shí)的電池產(chǎn)品性能，還必須有先進(jìn)的電池制造設(shè)備和工藝保障。因此，這張圖（圖1.）反映了三者的關(guān)系。

電池材料的發(fā)展水平，克容量、高電壓材料的出現(xiàn)，是電池性能的理論上限。那么好的電池設(shè)計(jì)的目標(biāo)，就像我們?nèi)ビ|摸天花板一樣，要通過好的設(shè)計(jì)，把熱力學(xué)上儲(chǔ)存在電池材料上的內(nèi)部能量，在到達(dá)截止電壓之前，“物盡其用”的發(fā)揮出來，這是動(dòng)力學(xué)上的一個(gè)成功。一旦電池設(shè)計(jì)定型以后，電池的制造，通過工藝的調(diào)試、不斷發(fā)明的好的設(shè)備，就可以不折不扣的變成真實(shí)的產(chǎn)品。

* 圖1（圖片截自嘉賓發(fā)言PPT）

中間藍(lán)色部分的電池設(shè)計(jì)，它完成的一個(gè)主旨是，在既有材料的發(fā)展水平下，通過設(shè)計(jì)來改善電池的性能，這個(gè)性能是動(dòng)力學(xué)上的性能。 

電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作的一個(gè)典型任務(wù)大概如這張表（圖2.）所示。

* 圖2（圖片截自嘉賓發(fā)言PPT）

首先，在電池設(shè)計(jì)過程中有很多設(shè)計(jì)變量。比如材料配方的變量：選什么樣的主材、什么樣的助劑，它們之間有什么樣的配比關(guān)系。微觀結(jié)構(gòu)的一些變量，比如材料顆粒粒徑如何分布、電極的涂布厚度、孔隙率或者壓實(shí)密度，包括電池內(nèi)部大量存在的界面，如集流體界面、顆粒界面等等。更大一點(diǎn)尺度上，還有形狀尺寸的一些設(shè)計(jì)變量，還有構(gòu)型之爭一直是電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展中一個(gè)非常受人關(guān)注的話題。近年來還有很多新的電池構(gòu)型在不斷地涌現(xiàn)，在確定的形狀特點(diǎn)下，它的尺寸比例如何調(diào)整，極耳這樣一些關(guān)鍵部件的位置如何調(diào)整等等。

非常眾多的，大概數(shù)十個(gè)設(shè)計(jì)變量都是為了達(dá)到電池的性能需求。一般來說，我們對(duì)于電池至少有電性能的需求，如能量密度多少瓦時(shí)/千克；功率密度在不同的持續(xù)放電時(shí)間下能夠達(dá)到多大功率值。除此之外，還會(huì)有熱性能的要求，電池在工作過程中的最高溫度，最好控制在一定范圍內(nèi)。大型電池內(nèi)部會(huì)發(fā)育出溫差，這些溫差也需要得到很好的控制。除了電和熱的性能需求之外還有壽命的需求，我們希望它達(dá)到數(shù)千次、上萬次的循環(huán)壽命，還有安全性的需求等。

電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)典型任務(wù)，就是在給定的一套性能需求下來確定這一攬子的設(shè)計(jì)變量。

在電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)方法一直隨著時(shí)代在不斷發(fā)展進(jìn)步。目前我們回顧以前、展望未來，大概可以將電池產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法分為三代核心技術(shù)。它們分別是：長期以來，無論中國還是歐洲新興的動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)中，都在大規(guī)模使用的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)方法，我們稱之為第一代技術(shù)；目前第一代實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)方法正在向第二代技術(shù)（過渡），我們稱之為仿真驅(qū)動(dòng)的正向設(shè)計(jì)技術(shù)；通過以仿真驅(qū)動(dòng)的正向設(shè)計(jì)替代實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)，單個(gè)型號(hào)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率大約提升2-5倍。未來5-10年，在2025-2030年這個(gè)階段將發(fā)生的一次關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步，是以仿真驅(qū)動(dòng)的正向設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，進(jìn)一步向無人化（既包括全自動(dòng)的含義、也包括智能化含義），智能化全自動(dòng)的電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法進(jìn)步，我們稱之為電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)的第三代技術(shù)。在第三代技術(shù)下，可以將單品開發(fā)的效率進(jìn)一步提升10-100倍。

這就是電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)的三代的核心技術(shù)，以及從第一到第二，目前正在發(fā)生的和未來5-10年即將發(fā)生的，從第二代到第三代的技術(shù)躍遷。

后續(xù)部分我們分別來看一下電池設(shè)計(jì)技術(shù)的過去、現(xiàn)在和未來。

* 后續(xù)部分內(nèi)容將分作兩篇陸續(xù)推出，敬請(qǐng)關(guān)注

以上內(nèi)容整理自嘉賓發(fā)言速記