中航锂电如何打造硬核产品力----解密不起火电池及技术的设计奥秘

　　2021年10月21日，以“汽车+X，双碳背景下汽车科技创新”为主题的2021中国汽车工程学会年会暨展览会(SAECCE 2021)在上海汽车会展中心举办。此次会议结合汽车电动化、智能化、网联化、共享化的发展趋势，深度探讨如何快速推动技术创新，重塑新型产业格局。

　　中航锂电电池研发部负责人郭其鑫受邀参会并作主题报告，深入分享了中航锂电不起火动力电池及技术的设计奥秘。

　　以下是演讲全文：

　　很荣幸能够有这次机会跟各位专家、各位同仁交流分享。作为国内最低调的实力派电池企业，中航锂电近一年多的装机量稳居国内前三，其中三元电池排名前二。有这么高且稳定的装机量一定是基于各主机厂对我们的认可，其中非常重要的一个原因则是中航锂电电池的安全表现，可以说是头部电池企业里最优秀的。现在我就跟大家分享一下中航锂电在电池安全方面的开发方向和进展。

　　电动汽车、动力电池为什么会起火，很多高校的课题组都在做这方面的研究，有很多非常有价值的学术成果，我今天则会偏重于用工程化的方法，化繁为简，用更通俗易懂的语言来把其中的关键问题和应对方法讲明白。

　　电动汽车热安全问题根源

　　简单来讲，热安全的问题起源于异常产热，一个异常集中产热点就可能导致电池内部的连锁反应，而在缺少有效阻断措施的情况下，这个连锁反应就会在整个电池包上不断发生，从而最终导致整车的安全事故。正常运行的高品质电池是不会出现这种异常产热的，而异常产热的出现是因为缺陷的存在。缺陷主要来源于三个方面：一是制造过程即存在，而出厂未检测到的制造缺陷;二是使用过程中因可靠性问题导致的劣化缺陷;三是事故或不正确使用导致的滥用缺陷。这些缺陷往往才是导致后面一系列连锁反应的最初起点。缺陷是如何导致安全问题的，那就需要简单讲一下主要的产热或失效机理。异常热量来源有内短路、外短路导致的焦耳热，也有材料分解、界面反应等引起的化学热，而在行业当前的材料体系下，绝大多数的起始异常产热都是由于内短路引起的，尤其是负极嵌锂石墨-铝箔的短路模式。这种短路模式的产热速率与危害度远高于其他类型，这也是当前导致安全问题的最主要原因，像壳内异物、极耳翻折、模切不良都可能导致这种短路模式，所以我们很多工作都是以这个为重点去开展分析和预防。

　　多维度解决热安全难题

　　要彻底避免热安全问题，必须要从起点预防、电芯加固、系统阻断和预测预警等多个维度进行全面布防。

　　第一个维度——“起点预防”，主要是指如何避免初始缺陷的产生，尤其是制造缺陷，从而避免初始异常产热点。我们根据制造过程去寻找缺陷可能产生的路径，从失效机理来分析缺陷造成的后果严重度，从而去分解、确定管控点。每个电芯生产制程的管控点有数千项，中航锂电凭借行业领先的制造和检测能力，以及最严谨的管理方法来保障出货产品的质量。但只要需要去管控，就仍然存在管控失效的风险。那该怎么办?我们从源头，依靠设计创新来减少需要管控的点，在起点上解决和避免问题。中航锂电在2020年推出的“DBW”全极耳极简直连技术，省去了极耳模切工序，从设计上避免模切残留等缺陷，并有助于提升极耳胶强度，该技术目前已在叠片全系产品上导入，客户应用反馈十分良好。在今年全球新能源汽车大会发布的“One-Stop Bettery”将创新设计的理念贯彻到底，回归目标和功能本质对电池进行重新设计和整合。其中第一代“One-Stop Bettery”就将叠片、入壳、焊接、包膜等装配段十道工序，通过设计优化整合为三道工序，从而彻底避免壳内异物、电芯夹伤等缺陷发生，从起点提升电池产品的安全性能。

　　第二个维度——“电芯加固”，主要指如何在电芯材料和化学体系层面进行改进，使电池的热稳定性更高、对缺陷的容忍程度更高。首先正极材料的设计，大家可能有一些认识，高镍材料的热稳定性差，中低镍材料的热稳定好。但其实影响正极材料热性能的因素远远不止元素比例，前驱体的颗粒设计、铝钛钨锆等各种元素的掺杂和包覆设计以及烧结工艺，都会对材料的结构稳定性和界面稳定性造成很大影响。中航锂电的正极材料正是基于这些精细化定制设计，才造就了优异的安全性表现。同样镍钴锰比例电池，中航锂电产品对于微短路的包容能力、剧烈产热温度起始点都有明显提升，失控的总产热量也大大下降。正是因为对材料设计的深刻理解，找到高镍材料安全的解决方案，我们才敢坚定的提出下一代高能量密度9系正极材料，将电池能量密度推向350Wh/kg。

　　除了正极材料外，电解液和材料体系的搭配对于电池安全性也至关重要。合理的体系搭配会提高初始的产热温度、降低反应的总放热量，会延缓甚至阻断连锁的放热反应。在这里面我们做了大量的分析和试验，来解耦正负极材料、电解液溶剂、添加剂在热性能上的影响关系，找到里面的关键影响因子，再根据这些影响因子，正向进行最佳的体系搭配设计。

　　通过前两个维度的措施，我们已经可以将电池的热安全问题发生几率降到很低了，但是如果追求彻底的零安全事故，我们还需要一道屏障，这就要讲到第三个维度——系统阻断。

　　第三个维度——“系统阻断”的主体在于“疏堵结合”，也就是隔热和散热共同实现热连锁反应阻断。这个大家一定都不陌生，因为今年“弹匣电池”、“大禹电池”等也都做了很多宣传。其实很高兴看到行业各家都在大力气宣传，因为它代表了行业对这种疏堵结合理念和方案的认可。中航锂电在2019年就明确提出了“大禹治水，有疏有堵”的想法，并将其作为高能量密度三元电池热失控抑制的解决思路。2020年三季度我们就已经拿出了成熟的方案来支撑主机厂，跟我们深度合作的各主机厂现在已经在全系新车型中导入完毕。

　　在阻断方案实现之后，我们现在追求的是如何更高效，即如何制定最合理的阻断方案，用最低的能量密度损失、最少的额外成本付出来实现，这需要非常深厚的正向定量设计能力。我们在2021年，基于对于传热学基础理论的灵活应用、热失控机理的认识、材料体系级别的分析、电池级别新评价方法的开发以及大量的实验数据积累，自建了专用的热失控抑制仿真计算工具，以及全套的从材料级别，到电芯级别、系统级别的仿真、设计和验证方法。正是因为有这样定量的正向设计能力，才保证了中航锂电能够提供最高效的热抑制解决方案。

　　最后一个维度是“预测预警”。通过前三个维度的措施，我们已经能够把“热安全事故”降低为一般故障了，但我们还希望能够更早的发现故障，可以在故障发生之前实施维保措施从而提升用户体验。中航锂电建立了自己的大数据平台，目前已接入80000多辆车的运行数据。在这里，我们通过进行大量正向的缺陷植入、异常模拟实验，来探测不同缺陷对应的数据表现，并基于此开发了对应的故障算法。接下来会基于模型训练不断校正和修正，并开发新算法来更精准的实现预测预警。另一方面，我们正在建立数字电池平台，将从原材料到制造全过程再到应用全过程的数据链进行打通，更高效、更准确的实现电池全生命周期的故障预防和价值拓展。

　　最后简单总结一下，中航锂电依靠对电池安全的深刻理解，在制造严谨、材料稳定、体系匹配、结构系统和预警有效等五个方面共同打造了完整的电池安全体系，形成了“优制造，缺陷少”、“抗缺陷，耐热强”、“产热慢，放热少”、“隔热准，散热快”、“预测准，发现早”的产品特点，从而造就了中航锂电产品独一无二的安全技术优势。最后，希望在未来的日子里，能够与各位行业同仁有更多的交流与合作，一起为新能源汽车产业发展，为“双碳”目标达成贡献应有的力量，谢谢。

　　中航锂电不起火动力电池及技术的分享，吸引了业界人士的高度关注，现场干货满满的分享收获了电池专家及行业代表的热烈反响。

　　中航锂电聚焦“双碳”目标实现，坚持实施“产品与技术领先战略”，大力开展自主研发的同时，与产业链合作伙伴协同创新，持续打造产品力领先，全力成就零碳新时代，用“芯”创造美好未来。