【金砖锂电论坛】阳如坤:再议动力电池制造安全性

发布日期:2020-11-18

核心提示:由深圳市电池行业协会、第一锂电网共同举办的2020中国国际锂电技术发展高峰论坛于11月2日-3日在深圳会展中心盛大召开。本次论坛

由深圳市电池行业协会、第一锂电网共同举办的“2020中国国际锂电技术发展高峰论坛”于11月2日-3日在深圳会展中心盛大召开。本次论坛以“新技术、新应用、新发展”为主题,推动企业交流发展。

深圳吉阳智能科技有限公司--阳如坤在本次中国国际锂电技术发展高峰论坛做了《再议动力电池制造安全性》的主题演讲,现场演讲实录如下:

微信图片_20201118175239

       很高兴有机会在这里跟大家讲讲动力电池的安全性,这个题目在不同的场合讲过好多次,我是感觉在这个层面上,其实怎么强调都不为过,因为也看到很多问题,今天,我想围绕着动力电池制造的安全性跟大家说一说。

我讲的是四个方面的内容:动力电池安全性的现状、制造安全性和本质安全性、制造安全性的表现、制造安全性的防范。

我不想说太多,也不是点名说威马,大家看到威马一个月之内有4次电池出了问题。我们想重点看到的结论是电池制造过程当中混入杂志,导致电池使用的异常,这是极端情况下导致的热失控。这是国家市场监督局公布极星出现的召回事件,共有110辆,主要问题是动力电池能量控制模块(BECM)软件存在内部逻辑问题,导致电子控制单元可能间歇性重置。

这个图片是最近曝光比较多的KONA汽车,说是LG电池出现的问题。共有25564辆车被召回,韩国交通运输部经过调查后,宣布起火原因与“电池缺陷导致电池内部短路”有关,KonaEV车型自燃原因来自电芯。充电中、静置未充电、行驶中都有起火事故发生。Kona EV的起火是典型的电芯起火症状,冒白烟,起火爆炸。

这是去年发生的比较严重的事件,就是韩国23起储能电池事故,导致储能电池的封盘。导致着一系事故的主要原因是涂布过程当中金属的污染混入到正负级流体边缘毛刺,导致电池的失效,这个影响也是非常严重的。可以说这个事件导致韩国储能电池几乎遭到了毁灭。

国内2019年79起电动汽车失火的事件,主要是乘用车,占了65%。电池的类型来看,86%由于三元电池。查明的原因中,主要还是来自于电池本身。从这个角度上来说,今天我讲的内容主要是围绕着电芯,至于电池外围的BMS保护、使用过程当中的诊断和运维的保护,可能也起到很重要的作用,但是我们还是从根上来说,从电池来看。

清华有一篇文章分析得非常细,电解质和电池在使用过程当中的挤压、使用过程中隔膜的问题、电池本质的内容(锂枝晶),目前为止,锂枝晶生长的机理还有待于探索,这方面的内容有待深入研究。

下面,我想说一下动力电池本质安全性的问题。这是欧阳明高院士在去年文章里面说到的,电池安全性可以归为三类:1.电池测试不足、验证不足。这个层面就是电池设计存在着的问题,包括边界、定义都不足。2.车辆使用过程的可靠性的恶化。这个恶化很多是制造过程当中导致的,比如说粉尘、毛刺、基本的管控。3.还有充电过程当中引起的,还有这里说到锂枝晶的生长快充的问题,都会导致类似的问题。

归结起来看,电池的失效归为机械的滥用、电器的滥用和热的滥用,这几个方面导致了电池的热失控。电池安全问题主要是在机械使用环境和制造过程的材料,还有锂枝晶的生长,从这几个方面来看:滥用、缺陷和机理方面的问题,这些都就是本质的安全性问题。

从电池来看,电池安全性可以分为三类:1.设计的安全。设计安全从电池的结构(稳定性、工差、)集流设计和安全阀设计,这是在电池设计的时候要认真考虑,但是在设计过程当中还有考虑不足的地方,比如说集流设计,现在拼命把集流体减薄弱,从铜箔6微米降到4.5,到6微米的时候,一些动力电池的倍率性能能已经不能保证了,大家可以算一算,集流体的减薄是不是满足发热的要求?在这个层面上,我认为还是有风险的。还有电池的材料本身的安全性,包括正极、负极、隔膜、电解液、壳体、密封件。2.今天我讲的是制造安全性,就包括制造过程当中的制造精度、毛刺控制、粉尘、连接制造、极片保护、极片膨胀。3.使用过程的安全性,限于时间,就不展开说。

电池制造安全性的定义还是在这里跟大家说一说,主要指电池材料或电芯制造过程中引入的电池不安全和不安全的因素导致。从定义上可以看到,我们认为电池设计按照理想的条件,本质上来说,选择的材料、设计和结构,都是安全的,我们把它叫设计安全性,在设计过程当中一定考虑材料是安全的。在电池的不安全,我们认为是由于制造过程中的精度、扭曲和管控不当,引发的不安全。我认为从这个角度来看,制造带给电池的不安全是本质性的,是属于本质安全问题。这个问题是其他过程条件下很难回避掉的,是我们必须认真考虑,并且这个过程和因素还非常的复杂。

我在这里把制造安全性分两个方向,大家可以看一下:1.制造质量;2.制造环境控制。从这里可以看到浆料有加料的精度,加料过程当中混入杂质,或者是加料输送过程的沉降都会导致安全性。可能沉降之后,密度都会发生变化,浆料也会发生变化。还有极片的制造、极片的厚度、尺寸、棍轧分条尺寸,这些都会导致电芯安全性问题。还有芯包制造过程当中:模切、叠片、卷绕、毛刺、对齐,都会导致安全问题。更不用说装配过程的虚焊、超声波、掉粉,在电池尤其是电芯生产过程当中,拆解国外的电池,发现里面最好不要用两次超声波焊接,但是现在很多动力电池在连接过程当中都是用到了多次超生波。从设计来看,第一次超声波的时候,这个粉掉下来没有那么严重,第二次焊接的时候,发现掉粉严重。这些粉尘没有很好地管控,跑到电池里面去了,这个安全是可想而知的,带给我们还是非常大的威胁。在化成分容,大家认为是很安全的,但是也会有不安全,比如说电流的精度、时间、化成制度的不同,都会导致电池安全隐患。尤其是化成制度、最小电流的时候,会给电池安全带来很多的问题。

还有环境的控制,对于锂电制造来说,它是最复杂的,比半导体制造还要复杂。简单地说,半导体制造带来的问题只是合格率的问题,电池制造的环境问题带来的是安全的问题。这些安全问题包括温度、湿度、压力、粉尘、异物、真空,都对电池产生影响。从这个角度来说,电池制造安全性是非常复杂,影响因素也很多。这里可以说是草木皆兵,每一个环节都可能对电池环节带来问题。

限于时间,就把芯包制造安全问题跟大家简单说一说。我们有一个简单的原则,电池里面一旦混入杂质或者是缝隙,就会带来电池的安全性。比如极片间存在空隙,锂离子就跑不过去,就会产生枝晶,枝晶的堆积,结果大家可想而知。

这是LG公布的这两个电池使用过程中会出现变形的图片,就是极片使用过程当中,负极会出现膨胀,刚刚刘总介绍的时候说,硅碳充放电时的膨胀是非常大的,跟碳复合之后会好一些,但碳负极的膨胀就有到4-6%的程度。这样一个过程大家可以想像所有的电池在充放电过程当中都会发生这样的变化,相当于电池是在呼吸的过程。充电的时候,锂离子从正极跑到负极,负极膨胀。放电的时候,负极锂离子跑到正极就会收缩,收缩了又不会全部收不会去。这是今天看到很多电池会出现GAP的问题,我个人认为GAP问题完全不是通过制造解决的,这是电池本身的本质问题。限于时间,不把这个展开说,我想告诉大家一个结论,所有的圆形卷针和椭圆形,压扁了之后是不会有缝的。现在用菱形的卷针,在3C电池里面用得很多,都是有缝的,你们可以推这个公式。从制造角度来说可以回避拐角的地方出现GAP的问题。

这个GAP问题是什么时候形成的?就是电池在充放电过程当中慢慢形成的。什么慢慢形成?负极在膨胀的时候,上下是压紧的,这个电池会往一边膨胀,膨胀过程当中把正极撑出去,回来的时候正极就回不来了。每次充放的时候膨胀,再回来;膨胀,再回来,就会导致GAP的形成。拆解的电池大家也可以看到,所有电池拆的方形卷绕电池没有一个不出现这种情况的。我个人认为,卷绕方型不是制造问题,这个问题只能是改变电池的结构才能解决。你们都有手机,通过循环100次之后所有电池拆开看一下,都会是这样的现象。拐角的地方要么是掉粉,要么是有一些枝晶的产生。要解决这个问题,目前有个办法是富于的电解液,注电解液的时候过量。大家知道循环过程当中,电解液会逐步的干枯,干枯的时候能保证拐角的地方还会有电解液。这个缝也就是几十个微米,不到半个极片的厚度,有的可能是几个微米的程度。

这个是我在网上看到的电池拆开图片,不是我拆的,大家可以看一下。在拐角的地方,包括锂的分布情况,大家都可以看到。

这个是圆柱电池,大家可以看到圆柱电池在使用过程当中膨胀,带来圆柱电池的问题,圆柱电池还有其他的问题,由于膨胀过程当中极片的变形,最终导致出现问题,相当于枝晶的生长。

我们也想到了监控OVERHANG的方法,用CCD的技术,来把电池OVERHANG进行很好的控制,限于时间就不多说了。

下面想简单地说一下叠片,刚刚说的是卷绕,对于动力来说,GAP问题是没有办法回避的。大家知道叠片有很多的优点:内阻小、容量高、极片变形小、适合未来高容量的正极片、渗液比较好、对极片柔性比较低,还可以把电芯做得比较厚。还有缺点,边缘多毛刺难以控制,连片问题不能杜绝。过去把极片放到料盒,料盒对极片伤害很大,掉粉也是一堆一堆的。叠片还有效率的问题。目前很多叠片机的性价比还不能跟卷绕机比较。
毛刺目前有这样的解决办法,用激光来控制毛刺在10微米以下,还有隔膜使用过程的不均匀,导致隔膜的拉伸。我们认为目前寻找到叠片效率在0.1-0.15秒每片的机器来解决这样的问题。

这个是LG公布的卷绕电池和叠片电池变形,这个还没有经过循环,只要我们卷绕完、热压之后,就能看到这样的现象。这个是叠片电池的隔膜变形的情况,这个是星源的隔膜,这是隔膜的拉伸曲线,从这个曲线可以得出重要的结论,是什么呢?如果用这样一种“Z”字型的叠片,隔膜张力从0会变到最大。什么现象呢?开始的时候张力是很大的,到了最后张力又变小,隔膜的拉伸可想而知是什么情况。大概就是这样的情况,你们可以看到这样一个结果。

从这里可以把隔膜拆开做电镜,就会导致隔膜这样的结果,它是不均匀的状态。我们也做了隔膜的拉伸实验,我们这里得到一个很重要的结论,就是隔膜在不同的拉力下,它的回弹实点是不一样的,这个不一样对于叠片的间距就发生了变化,从10N到20N的张力变化,可以看到一次拉伸和二次拉伸导致的隔膜回弹孔率发生变化,这是重要的影响。

未来的电池一定是叠片的,因为叠片最适合电池的充放电的状态,大家可以从这个角度看到,充放电过程当中,极片正负极是像风箱一样拉伸膨胀和收缩,这样就不会有刚刚锂离子运动不均匀,或者是导致的其他问题。从这个角度来说,未来高精度电池,或者是更好的电池性能角度来说,应该是这样一种电池结构。这样的电池结构应该走这样的技术路线,保证隔膜是恒定张力,通过复合、加热,把隔膜和极片复合,来解决叠片的问题。LG公司是做得不错的,做了复合式的叠片,但不是说就很完美,如何保证阶段过程当中的毛刺控制、生产过程的环境控制,对我们来说也是很要命的问题,也需要我们解决的问题。这是叠片电池。

这个是我们做的叠片电池复合结构,我们还在做更高速的结构,这个是MEB590的情况。

电池制造安全性,卷绕电池和叠片电池在制造安全性上怎么回避由于隔膜收缩和变形、负极的膨胀和收缩带来一些问题,制造上、电池结构上怎么回避。电池制造安全性应该是系统性的方法,首先系统性的方法我们认为要建立一套数据体系,数据体系从辅助设备、过程和环境,从物料数据获取,通过一套体系化的数据结构,来建立制造过程的原数据模型、数据字典,对数据进行清洗、分析,最后建立制造过程的模型,以此达到数字控制的目的,这是我认为保证电池制造安全的体系化结构,也是电池智能制造的体系化结构。


从控制电池制造安全性上,要点就是以下几方面:尺寸控制、设备控制、水分控制、毛刺控制、粉尘、极片保护。把每一点进行细化、严格的控制,才能保证制造过程的基本安全性。从这个角度来说,控制电池的安全性也是任重道远,这里面的确有很多问题,有可能装修过程当中门缝开一个小的缝,杂质从这个缝进来就会导致问题。这不是危言耸听,松下就是通风口出现了问题,就导致一批电池浪费掉了。

这是中汽研王芳团队做的电池性能和充放电曲线,大家可以看到这个给我们很重要的提示,就是电池在使用过程当中是可以管控的,蔚来的汽车是不是也用了这样的原理?还是非常有参考价值的。在电池使用过程当中,电池出现了问题,是可以通过测试过程去监控到电池的变化。这些变化对于管控电池是非常有价值,也是非常有意义的。

2019年底发布了锂离子电池生产设备通用技术要求,大家可以看到的跟过去发布的标准还是不一样的,我们花了4年的功夫把电池的生产设备的基本要求在这里做了规范。当然,我们希望这样的规范能够对行业带来一些价值,这对设备的选择、使用上,带来一些价值。这是我讲的体系化管控的方面。

好的,我讲的就是这些内容,也就是动力电池在制造过程当中面临的问题怎么管控的方面,谢谢大家。



 
[ 新闻搜索 ]  [ 加入收藏 ]  [ 告诉好友 ]  [ 打印本文 ]  [ 违规举报 ]  [ 关闭窗口 ]

 
0条 [查看全部]  相关评论


网站首页 | 关于我们 | 联系方式 | 使用协议 | 版权隐私 | 网站地图 | 排名推广 | 广告服务 | 网站留言 | RSS订阅 | 沪ICP备16055099号-3

第一锂电网 版权所有 © 2016-2018 咨询热线:021-6117 0511  邮箱:heli@heliexpo.com.cn 在线沟通:

本网中文域名:第一锂电网.中国本站网络实名:第一锂电网-中国最专业的锂电池行业信息网站