鉅大LARGE | 點擊量：652次 | 2022年06月21日
動力鋰電池產品設計的過去和現在
2022年三月25-二十七日，我國電動汽車百人會論壇（2022）在京召開。大會以"迎接新能源汽車市場化發展新階段"為主題，深入探討了我國新能源汽車由政策和市場雙驅動轉向以市場驅動為主的新階段所面對的機遇和挑戰。在二十七日召開的動力鋰電池論壇上，清華大學汽車安全和節能國家重點實驗室副主任李哲就"動力鋰電池的先進設計技術以及在這一先進設計技術推動下的動力鋰電池產業研發模式變革"發表主題演講，全文共分三部分，以下為第二部分"動力鋰電池產品設計的過去和現在"。
01、從實驗試錯到仿真驅動正向設計
電池設計的傳統技術，我們稱之為實驗試錯法。
什么叫試錯呢？假如我們是一家電池公司，收到了一家車企的訂單，根據車輛的比如續駛里程的要求、能量密度的要求、車底可以安置空間的要求、包括成本的要求，我們會設計出特定的電池型號，來完成這個訂單要求。大家了解，電池的可設計參數很多，每個參數都可能有不同的取值，這些取值的不同直接決定了電池的性能。比如偏高能量型的，可以支持600公里、700公里、1000公里的續駛里程；更偏功率型的，比如混合動力汽車上使用的一些動力鋰電池。
在很多個設計參數，每個參數有多個不同的水平取值的情況下，可以出現的電池設計方法是非常眾多的，怎么辦呢？公司會根據在之前這個產品開發中的一些原型相關相關經驗，給出一些不同設計方法，在每個方法下再制造一些平行樣品，把這些樣品制造出來，投入到測試中去，去測它的電學性能、熱學性能、壽命等等這樣的一些關鍵的指標。這個測試結束以后數據都回來了之后分析數據，就像賽馬相同，可以明顯地看出哪種設計方法最好，就用這個設計方法來完成這個訂單需求，假如這個最好的設計方法依然不滿足要求，迭代，重新開始制樣、測試的過程。
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事實上，實驗試錯法在電池產品研發中帶來了大量的浪費，我們稱之為四大重要浪費：時間的浪費，大家了解公司的CPD部門完成型號設計，短則幾個月，長的時候甚至要2年、3年，時間非常長。第二、物料的浪費，很多公開的公司年報中，在電池產品研發過程中使用的物料數以億計。另外，制造了很多樣品開展測試，公司內部都有一個非常大的測試中心，可能會有上萬個通道，充放電機、溫箱，這些都是"電老虎"，單機功率可能在數千瓦，所以在研發過程中還帶來了電能的浪費，除了物料的浪費還有能源的浪費。最后，最寶貴的也是最可惜的，是人力資源的浪費。我國電池公司研發隊伍的人才數量和質量越來越高，很多工程師的時間投入到了這種重復的型號設計迭代過程中，制樣、測試、分析數據、改善，在這個循環中浪費了大量的精力。
鑒于這四大重要浪費，我們在清華的團隊致力于開發新的電池產品的研發方法。目前正在做的一件事情，是以仿真驅動的正向設計來部分替代在實驗試錯過程中的大量制樣測試過程，我們稱之為電池設計方法的第一次躍升。
和實驗試錯方法制樣測試的迭代不相同，仿真正向設計是一個什么樣的思路呢，這四個字把它的重要思路說的很清楚，叫"未造先知"，叫KnowBeforeFabricate，沒大規模的制樣測試之前，能不能根據設計方法來預測出、猜測出它的性能表現呢？
一個典型的仿真正向設計的流程是下面這個圖的樣子。
*圖片截自嘉賓發言PPT
左端，我們輸入一套設計參數，里面含很多個，可能是60個、70個或者更多的設計參數，包括配方的、微觀結構的、宏觀結構的等等。在右端的輸出，觀察電池的性能，有熱的性能、電的性能、壽命的性能等等。假如輸出的性能滿足要求，那么輸入的這套設計參數，可能就是最終設計方法；假如不滿足要求，就回到左端、輸入端，進一步輸入新的設計參數，觀看電池性能的提升。
這中間也有迭代，下面的箭頭調整設計參數，滿足特定性能需求。但它采用的是一種稱之為虛擬迭代的方法，來替代了實驗試錯法中制樣測試帶來的四大浪費的迭代過程。
從仿真正向設計的這個框圖中大家可以看到，左端輸入電池設計，右端得到電池性能，那么將這兩者關聯在一起的數量關系我們稱之為電池的模型?？梢杂糜谠O計的電池模型我們特定的將它稱之為電池的構效關系模型，高精度的電池構效關系模型是仿真驅動的電池正向設計方法的底層核心技術。
那么這是一個什么樣的電池構效關系模型呢？
*圖片截自嘉賓發言PPT
在這個構效關系模型里，至少要涵蓋兩個核心尺度，第一是電極的尺度，電池的正極材料、負極材料，包括其中的導電劑、黏結劑等各種各樣的助劑，它們構成的多孔電極是第一個關鍵尺度，它的特點尺寸是，從單個顆粒一直到整個電極單面涂層的厚度一般在百微米以下。
構效關系模型的第二個尺度是單體尺度。它比電極尺度更大一點，有了好的正負極片以后，還要把它制成一個好的單體。單體尺度要解決一些特殊問題，比如要選擇什么樣的構型，圓柱的、軟包的、方殼的、長刀的、短刀的，構型上的創新。除了形狀之外還有尺寸，確定的方殼長寬厚的比例，極耳或者極柱、極臺的位置等等，都會進一步決定電池的性能。
要完成這種仿真驅動的電池正向設計，我們清華團隊一直在進行四大核心技術研究。
從化學能到電能的能量轉換器件有很多類型，比如目前在電動汽車領域大規模使用的動力鋰電池，有液態電解質的，還有固態電池，燃料動力鋰電池，使用氫氣的燃料動力鋰電池，器件的發展一直不會停止。但是在這種能量轉換器件的設計過程中，存在著貫通不同器件的我們稱之為平臺性技術要素。技術要素的研發是目前面向鋰電池，將來可能面對更多新型的能量轉換器件做產品開發的一個通用技術。
02、實現仿真正向設計的4大核心支撐技術
我們歸納能源器件設計的平臺型技術要素，采用這種仿真正向方法的，至少包括以下四點：第一，是電池正負極核心材料本征動力學參數的測定。第二，是多物理場耦合的機理模型的構建。第三，是電極微觀結構，微米尺寸的這種結構，自動化的、大批量的生成技術。第四部分，是數值計算的求解器的開發。以下我們相同相同來看。
第一個技術要素，稱之為電池正負極材料的本征動力學參數測定。
這是什么含義呢，我們講第二大技術要素的時候，多場耦合的機理模型，大家會發現，在模型中存在著很多表征材料本征屬性的參數。比如，鋰離子在一個典型的石墨顆粒中擴散速度有多快，這個擴散速度可能是嵌鋰量的函數、溫度的函數，但是它本質上是這種材料的固有屬性。這種固有屬性會作為電池構效關系建模中不可或缺的參數，帶入到整個建模和電池產品設計過程中。所以一個電池仿真驅動的正向設計方法的核心，在于建準構效關系模型。而建好模型的一個基本功，是要有精確的參數標定方法，有時這種商用的儀器不夠用，還要團隊來開發一些特殊的儀器，這也是我們在本征動力學參數上采用的一些方法。在這個領域我們正在建立電池正負極材料的本征動力學參數的一個數據庫，開發了很多比如單顆粒電池這樣一些新型的實驗臺，研究正極材料、負極材料包括一些關鍵的電解液動力學過程的一些參數。
第二個技術要素，是多場耦合的機理模型的構建。
什么是模型構建呢？我們更多指的是如何描述清楚，用一套偏微分方程，描述清楚電池內部發生的物理化學過程。進一步做闡述，是指電池內部發生的行為和現象以及驅動這種行為的驅動力之間的關系，它的最終參數是一套偏微分方程。大家可以看到下面這張圖，是一個典型的電極的示意圖。
*圖片截自嘉賓發言PPT
這里面有很多微觀的結構，黃色部分，這種大的，比如正負極材料固相顆粒球狀顆粒；黑色的，這種小型的導電劑形成的電子通路，顆粒和電解質相聯的這個表面處于的固液界面，這里面的孔大部分情況下我們認為充斥著電解液。
在這樣一個多孔電極的環境中會發生很多現象。比如有物質傳輸的過程，鋰離子會發生輸運、電子會發生導電，在固液相的界面處會發生電化學反應，脫鋰和嵌鋰為代表的氧化還原反應，有時候還有一些老化過程中人們不愿意讓它發生的一些副反應，會減弱電池壽命的一些副反應。另外電池內部還會產熱、會傳熱、電池和外界環境還存在著熱交換，以上這些所有的行為或者說現象，在第二個技術要素中都試圖采用一套偏微分方程組來清晰的描述。
第三個技術要素，電極微觀結構自動批量生成。
假如說第二個技術要素是數理上的工作，第三個技術要素更多是幾何上的工作。大家了解電池的結構，以目前大規模使用的液態電解質結構來看，它的電池電極結構大部分是一個多孔結構，其中含有多種不同的固相材料，固相材料的間隙中還存在著孔，孔中還可能灌注著電解液。液相和固相分別構成了離子和電子這兩類最重要載流子的通路，微觀的幾何結構受到加工過程中、設計過程中很多工藝的影響，比如涂多厚、壓實密度多大、烘干的供需怎么樣等等，微觀結構的特點一定程度上決定了電池性能的特點。
在完成仿真驅動的正向設計時，要首先根據不同的方法設計，什么設計方法呢？
*圖片截自嘉賓發言PPT
這張表中左上角，主材的類型、材料的配比、顆粒的形貌、粒徑的分布、涂布的厚度、壓實界面工藝等等一些設計參數，要快速地生成對應于這套設計參數的微觀幾何結構，而且它應該是自動化的，不是靠人去繪制；也是大批量的，因為在真正的仿真過程中，為了減少仿真結果的隨機性，會含有大量數目的顆粒。以右上角的這個圖來看，真正仿真過程中處理的長度可能是它的10倍以上，里面會含有至少數千個顆粒，因此這種幾何結構的生成方法必須是自動化、大批量而且有效率的。
右上角是一個典型的某一個電極的多孔的微觀結構。事實上這個結構不是唯一的，它和很多關鍵假設，包括輸入的設計參數是密切相關的。可以看到下面這些圖，可以表征不同的粒徑分布：D10、D50、D90；可以是兩維的、也可以是三維的；單個顆?？梢允钦蛐蔚?、也可以是橢球形的，甚至是片狀的；它可以適配很多工藝，傳統的涂布輥壓烘干工藝，包括現在干壓的工藝；在正極它可以表征出單晶的結構，也可以表征出有些材料中使用的多晶結構等等。因此這種自動化大批量生成的電極結構，可以反映電池內部很多趨于真實的信息：比如顆粒不同的形貌、不同粒徑分布的特點；助劑、導電劑、黏結劑真正的空間占位；孔隙分布的情況、壓實密度的情況，包括電池內部非常豐富的界面上進行的各種各樣的工藝處理等等。
最后一個技術要素，是數值求解器的開發。前面講了，幾何上我們得到了一個多孔的結構，里面的形狀、結構非常復雜；代數上我們又得到了一套偏微分方程組，它可能首先具有高階的模式，另外是個偏微分，邊界條件很復雜，所以很難顯示采用解析的方法求解，把這套代數方程應用在這樣一個復雜幾何上怎么解呢？怎么得到數值的解決呢？
一般情況下我們采用數值求解的方式。我們的團隊還在開發具有全自主知識產權的數值求解器。大家了解CAD、CAE領域的很多軟件缺少大量的國產化工具，一直被認為是我國工業軟件發展中一個非常瓶頸的問題。在第四個技術要素中我們并不是要開發一款通用的CAE求解器，而是要把面比較如鋰電池設計問題出現的幾何和代數可以采用自己全自主的求解器求解出來，它是垂直適用于特定產業、特定產品的。
在以上四大技術要素的支撐下，我們可以高精度的得到電池內部很多信息的仿真結果，有些仿真結果是我們在實驗室通過測試的方法可以方便得到的。
*圖片截自嘉賓發言PPT
比如這張圖中，根據這個實驗難度星數從一到五，可以簡單獲得比如電壓、容量、功率，直流內阻、交流內阻，通過三電極或者半電池的方法把正負極的電位區分開；下面一排實驗難度在快速的新增，比如大的電池，尺度很大、厚度很大，如何把整個內部，包括封閉結構內部和外部的溫度都能夠采集出來呢？實驗上有一定的困難，但是并不是不可行。仿真的結果可以告訴我們，溫度在時、空兩重維度下任意時間、電池內外任意位置的溫度變化情況。后面我們加了五星的兩張圖，分別代表在任意時刻下，比如左邊圖是正極固相材料內部的鋰離子濃度，右邊圖是電子電流密度場。大家了解，這兩個物理參數很難通過實驗室測試的方法滿足在一定的時間和空間分辨率條件下精準的獲得，因此仿真技術可以幫我們見到一些在實驗中不容易見到的現象，從而更加有可能揭示出電池內部發生的一些特定機理，并把這種機理和設計瓶頸及如何進一步改進設計關聯起來。
03、仿真如何指導設計
上面都是一些典型的仿真結果。仿真為何能了解設計呢？或者為何第二代電池產品的研發技術是仿真驅動的正向設計呢？我們來看一個案例。這個案例來源于一個特定的設計需求，假如一款電池在1C條件下，能量密度顯著偏低，能不能幫我們分析一下成因，應該如何改進一下這個設計呢？
*圖片截自嘉賓發言PPT
通過仿真的方法，左圖，我們把這款電池在放電時刻過程中任意時刻的過電壓，此時的端電壓和該SOC下對應平衡電位的差把它提出來，還把它進一步解析成過電壓的不同成份，哪一部分是比如說液相離子傳輸帶來的、哪一部分是化學反應帶來的、哪一部分是電子導電帶來的。我們會發現，在長達3000多秒的放電過程中，整個過電壓的曲線，大部分時間內都比較平穩，但是在接近放電截止的這個時刻，其中有橘色的一支、一種成份快速地抬升了，從而造成這款電池很早就擊破了放電截止電壓，熱力學上有的能量沒有辦法動力學上用上來，抬頭的成分是什么呢？
我們看一下負極顆粒內部的擴散過程，它在放電截止時刻，在整個過電壓的組成中占有多大的角色呢？看柱狀圖和右面表的分析，放電截止時刻大概800多毫伏的過電壓中，其中有755毫伏都來自于負極顆粒內部的離子傳輸。這說明假如能把這個抬頭的橘色線壓下去，這個電池就可以多放電一段時間，在1C條件下測定的能量密度就會高一點。什么樣的設計因素可以有針對性的來降低負極顆粒內部的離子傳輸帶來的過電位呢？有電池設計相關相關經驗的人會了解，在負極顆粒內部的擴散和擴散距離密切相關，也就是減小負極顆粒的粒徑，比如把D50調低一點，可以讓負極內部的鋰離子擴散過程更加順暢。
事實上，針對這樣一種仿真分析的結果，我們給出的設計改進建議也是，要優先嘗試減小負極石墨顆粒的D50，通過把D50下降，大概只下降了4個微米左右，可以顯著地提升這款電池在1C條件下的能量密度。
這個案例生動的解釋了為何仿真可以指導設計，因為仿真將電池內部發生的一些實驗上不可見的過程解析開了，掰開了，揉碎了，告訴我們這款電池為何提前截止，假如要控制，要找到瓶頸，應該在設計上優先進行什么工作。
上面這個分析跟我們前面看到的離子濃度圖也是對應的，截止時刻的離子濃度也可以證實這一點，大的顆粒，大的石墨負極顆粒，內部殘存著較高的鋰離子濃度，假如縮小D50有關這部分的能量發揮是非常有效的。
我們看了過去、再看了現在，目前我國的動力鋰電池產業正在從實驗試錯法向仿真驅動的正向設計方法邁進的路上，通過仿真驅動供應的這種虛擬迭代能力，可以把實驗試錯法條件下的電池型號的開發過程大規模的加快，按照我們在產業的一些實踐，在效率上至少有2-5倍的提升空間，在成本上至少也可以節約一半。
最后，我們來共同展望一下電池設計技術的未來，智能化的全自動設計方法。（詳見全文第三部分）
*以上內容整理自嘉賓發言速記
