歐陽明高：電池技術預計在2030年全方位革新

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本站汽車11月2日報道    10月31日，以“聚焦綠色新能源，推動交通電動化”爲主題的新能源科學與交通電動化國際論壇舉辦，清華大學教授、中國科學院院士歐陽明高發表題爲“高比能電池安全研究與高性能新型電池開發”的主旨報告。

他表示，電池技術創新週期約爲30年，全固態電池預計在2027年到2030年之間達到規模產業化，“這代鋰離子電池在動力方面應用是在2000年左右，我們預計2030年會有一次全方位的革新。”

從2000年開始的第一個十年，主要解決動力化安全問題，因爲鋰離子電池用於動力，第一個問題就是安全，現在還在繼續解決。從2010年就開始，手機電池開始智能優化，如今動力電池產業規模已經很龐大，降本增效主要途徑是用智能化手段推動全動力電池全產業鏈的技術革新。第三個十年，“我們認爲現在正在發生的是新材料的換代，也就是以固態電解質研發爲核心的全固態電池，這個要到2030年纔會成熟，但是現在已經開始了。”

“我們團隊聚焦的也是這麼三個方面，剛開始是動力化轉型，從手機電池到動力電池的動力化轉型，我們的研究聚焦在電池的安全性。然後電池產業提質增效需求推動了數字化轉型，我們現在也同時進行智能化的研究，下一步電池超高比能量的能量需求會催生新一代的新材料，所以我們現在也開始了固態化的研究，就是全固態電池。”

爲避免熱失控等安全問題，“我們建立了相應的電池安全技術體系，包括三個方面。第一個是主動安全，來應對各種誘因，發展的產品就是智能電池。第二個是本徵安全或者本質安全，就是提高電池本身材料的熱穩定性，來防止熱失控發生，這也推動了全固態電池的研發和換代。第三個就是怎麼應對熱失控蔓延，我們稱之爲被動安全，相應的產品就是安全電池。”

第一方面，被動安全與安全電池，包括蔓延過程、防控設計和系統開發。

“設計的基礎上很重要的就是要把熱蔓延消除，如何消除？我們開發了防火牆，第一代防火牆就是隔熱，但是對高比能量電池隔熱是不夠的，需要低溫導熱、中溫吸熱、高溫隔熱，三個同時進行，這我們主要是開發了納米纖維的基底耐高溫材料，耐熱可以達到1300攝氏度，在此基礎上還有相變材料，通過相變材料和陶瓷纖維同時隔熱和吸熱來進行能量疏導，對300瓦時/公斤電池也可以防止熱蔓延。在此基礎上，我們開發了安全電池包並實現了產業化。比如科易動力是柳州五菱轎車電池包的主供應商之一。另外，儲能電池方面，重慶清安儲能是提供儲能電池系統的。”

第二方面，主動安全與智能電池，也包括三點，安全預警、主動調控、智能電池。

首先要做安全預警，找到兩種基於電池缺陷植入的熱失控復現與預警方法。“在此基礎上我們發佈了電池領域的第一個大模型，這是全球第一個大模型，參數量達到12億個，故障的檢出率達到了93%，誤報率降低到了0.1%，這是經過多年的發展，我們經歷了三代，5年時間一步一步優化到今天，像比亞迪很多車上是裝了我們這個系統的，是清華和升科能源我們的創業公司一塊做的。”

另外，主動安全調控，主動安全不光是預警，比方說快充會導致析鋰，析鋰會產生枝晶，枝晶也會刺破隔膜。“所以我們首先建立模型，找到快充的邊界。基於理論推導的快充邊界，我們可以剛開始大電流充。如果我們知道負極電位，就可以控制這個最大的電流邊界。同時我們還開發了快速加熱技術，我們在長春一汽的外面建了示範站，北方冬天快充是最容易析鋰的，必須把溫度提起來，怎麼提？就是用大功率脈衝來提升溫度，我們可以做到每分鐘升高7攝氏度，然後再來快充。”

另外一種主動安全防控，就是直接調控熱失控，通過機理研究可以發現，熱失控自升熱反應都是從負極開始的，負極與電解液反應產生還原性氣體，然後纔會有後面的一系列過程，怎麼辦？我們就是要把前面還原性氣體解決，怎麼解決？還原性氣體的反應必須要得電子，如果用調控的辦法爭奪電子，比如進行反向放電，爭奪電子，那我們就可以抑制熱失控的反應，這是我們做的60安時的電池實驗，能量密度280瓦時/公斤，可以把熱失控調下來，這就是熱失控的直接調控。

而新型智能電池的開發，首先是植入式傳感，下一步還要全方位開發算法。“在此基礎上我們將進行全生命週期的智能化，基於我們的大模型可以做智能設計、智能製造、智能管理、智能回收，比如在智能設計方面，我們培育的易來科得，是國內少有的有自主底層算法的電池設計公司，目前也進軍歐洲市場。”

最後一方面，本徵安全和固態電池，“要講一下失效的機理，從材料層面來講機理，然後抑制方法、以及最後全固態電池的開發。”

”首先，大家知道我們進入材料領域是近5年的事情，在這個過程中把電池熱失控反應的機理全部揭示，尤其是我們揭示了300瓦時/公斤高比能量811電池的全過程機理，包括第一個反應負極跟電解液反應生成還原氣體，還原氣體串到正極，攻擊正極引發晶格反應，然後釋氧，反應的一部分氧跑到負極，形成T3的最高溫度，這就是它的全過程，T1、T2、T3是三個特徵溫度。“

在高性能硫化物全固態電池研發方面，歐陽明高提到，”我們不做半固態電池，我們不做氧化物，我們只做硫化物、兼顧一定的鹵化物，但是我們是以硫化物爲主的，我們是硫化物全固態電池技術路線。這是我們的標誌，所以首先我們是建立了多尺度集成計算與表徵平臺，要想跨學科必須有武器、有工具，所以表徵全套的、計算全套的，從原子一直到我們的系統。”

全固態電池並不是絕對安全，它的熱失控機理有兩條失效路徑，一條是氣固反應，一條是固固反應。“另外我們創新的提出了高容量、高穩定性的硅碳負極製備方法，我們製備的硫化物全固態電池體系下的材料比容量超過了2400毫安時/克，首次庫倫效率超過了86%，現在已經開始了千噸級的產業化，目前的產業化是摻在石墨裡面去用，我們最大的特點是成本低，比現在的成本是要低很多。另外就是全固態電池的電解質隔膜，我們也探索了卷對卷的幹法電極等技術，我們也研發了安時級的全固態電池，目前做到15Ah電池350瓦時/公斤，熱箱耐受溫度200度，工作區間是零下20度到120度，我們預計到2025年會到500瓦時/公斤。”