欧阳明高：电池技术预计在2030年全方位革新

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本站汽车11月2日报道    10月31日，以“聚焦绿色新能源，推动交通电动化”为主题的新能源科学与交通电动化国际论坛举办，清华大学教授、中国科学院院士欧阳明高发表题为“高比能电池安全研究与高性能新型电池开发”的主旨报告。

他表示，电池技术创新周期约为30年，全固态电池预计在2027年到2030年之间达到规模产业化，“这代锂离子电池在动力方面应用是在2000年左右，我们预计2030年会有一次全方位的革新。”

从2000年开始的第一个十年，主要解决动力化安全问题，因为锂离子电池用于动力，第一个问题就是安全，现在还在继续解决。从2010年就开始，手机电池开始智能优化，如今动力电池产业规模已经很庞大，降本增效主要途径是用智能化手段推动全动力电池全产业链的技术革新。第三个十年，“我们认为现在正在发生的是新材料的换代，也就是以固态电解质研发为核心的全固态电池，这个要到2030年才会成熟，但是现在已经开始了。”

“我们团队聚焦的也是这么三个方面，刚开始是动力化转型，从手机电池到动力电池的动力化转型，我们的研究聚焦在电池的安全性。然后电池产业提质增效需求推动了数字化转型，我们现在也同时进行智能化的研究，下一步电池超高比能量的能量需求会催生新一代的新材料，所以我们现在也开始了固态化的研究，就是全固态电池。”

为避免热失控等安全问题，“我们建立了相应的电池安全技术体系，包括三个方面。第一个是主动安全，来应对各种诱因，发展的产品就是智能电池。第二个是本征安全或者本质安全，就是提高电池本身材料的热稳定性，来防止热失控发生，这也推动了全固态电池的研发和换代。第三个就是怎么应对热失控蔓延，我们称之为被动安全，相应的产品就是安全电池。”

第一方面，被动安全与安全电池，包括蔓延过程、防控设计和系统开发。

“设计的基础上很重要的就是要把热蔓延消除，如何消除？我们开发了防火墙，第一代防火墙就是隔热，但是对高比能量电池隔热是不够的，需要低温导热、中温吸热、高温隔热，三个同时进行，这我们主要是开发了纳米纤维的基底耐高温材料，耐热可以达到1300摄氏度，在此基础上还有相变材料，通过相变材料和陶瓷纤维同时隔热和吸热来进行能量疏导，对300瓦时/公斤电池也可以防止热蔓延。在此基础上，我们开发了安全电池包并实现了产业化。比如科易动力是柳州五菱轿车电池包的主供应商之一。另外，储能电池方面，重庆清安储能是提供储能电池系统的。”

第二方面，主动安全与智能电池，也包括三点，安全预警、主动调控、智能电池。

首先要做安全预警，找到两种基于电池缺陷植入的热失控复现与预警方法。“在此基础上我们发布了电池领域的第一个大模型，这是全球第一个大模型，参数量达到12亿个，故障的检出率达到了93%，误报率降低到了0.1%，这是经过多年的发展，我们经历了三代，5年时间一步一步优化到今天，像比亚迪很多车上是装了我们这个系统的，是清华和升科能源我们的创业公司一块做的。”

另外，主动安全调控，主动安全不光是预警，比方说快充会导致析锂，析锂会产生枝晶，枝晶也会刺破隔膜。“所以我们首先建立模型，找到快充的边界。基于理论推导的快充边界，我们可以刚开始大电流充。如果我们知道负极电位，就可以控制这个最大的电流边界。同时我们还开发了快速加热技术，我们在长春一汽的外面建了示范站，北方冬天快充是最容易析锂的，必须把温度提起来，怎么提？就是用大功率脉冲来提升温度，我们可以做到每分钟升高7摄氏度，然后再来快充。”

另外一种主动安全防控，就是直接调控热失控，通过机理研究可以发现，热失控自升热反应都是从负极开始的，负极与电解液反应产生还原性气体，然后才会有后面的一系列过程，怎么办？我们就是要把前面还原性气体解决，怎么解决？还原性气体的反应必须要得电子，如果用调控的办法争夺电子，比如进行反向放电，争夺电子，那我们就可以抑制热失控的反应，这是我们做的60安时的电池实验，能量密度280瓦时/公斤，可以把热失控调下来，这就是热失控的直接调控。

而新型智能电池的开发，首先是植入式传感，下一步还要全方位开发算法。“在此基础上我们将进行全生命周期的智能化，基于我们的大模型可以做智能设计、智能制造、智能管理、智能回收，比如在智能设计方面，我们培育的易来科得，是国内少有的有自主底层算法的电池设计公司，目前也进军欧洲市场。”

最后一方面，本征安全和固态电池，“要讲一下失效的机理，从材料层面来讲机理，然后抑制方法、以及最后全固态电池的开发。”

”首先，大家知道我们进入材料领域是近5年的事情，在这个过程中把电池热失控反应的机理全部揭示，尤其是我们揭示了300瓦时/公斤高比能量811电池的全过程机理，包括第一个反应负极跟电解液反应生成还原气体，还原气体串到正极，攻击正极引发晶格反应，然后释氧，反应的一部分氧跑到负极，形成T3的最高温度，这就是它的全过程，T1、T2、T3是三个特征温度。“

在高性能硫化物全固态电池研发方面，欧阳明高提到，”我们不做半固态电池，我们不做氧化物，我们只做硫化物、兼顾一定的卤化物，但是我们是以硫化物为主的，我们是硫化物全固态电池技术路线。这是我们的标志，所以首先我们是建立了多尺度集成计算与表征平台，要想跨学科必须有武器、有工具，所以表征全套的、计算全套的，从原子一直到我们的系统。”

全固态电池并不是绝对安全，它的热失控机理有两条失效路径，一条是气固反应，一条是固固反应。“另外我们创新的提出了高容量、高稳定性的硅碳负极制备方法，我们制备的硫化物全固态电池体系下的材料比容量超过了2400毫安时/克，首次库伦效率超过了86%，现在已经开始了千吨级的产业化，目前的产业化是掺在石墨里面去用，我们最大的特点是成本低，比现在的成本是要低很多。另外就是全固态电池的电解质隔膜，我们也探索了卷对卷的干法电极等技术，我们也研发了安时级的全固态电池，目前做到15Ah电池350瓦时/公斤，热箱耐受温度200度，工作区间是零下20度到120度，我们预计到2025年会到500瓦时/公斤。”