李哲，清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室副主任

　　導語：

　　2022年3月25-27日，中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(fā)展新階段”為主題，深入探討了我國新能源汽車由政策與市場雙驅動轉向以市場驅動為主的新階段所面臨的機遇與挑戰(zhàn)。在27日召開的動力電池論壇上，清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室副主任李哲就“動力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電池產業(yè)研發(fā)模式變革”發(fā)表主題演講，全文共分三部分，以下為第一部分“動力電池的產品設計要完成什么樣的任務”。

　　第一部分我們講一下，動力電池的產品設計要完成什么樣的任務。

　　電池性能的成因比較復雜，我們認為它滿足以下的乘法公式，是材料發(fā)展水平、電池設計水平和制造水平的乘積。

　　電池性能是否唯一和材料性能劃等號呢?過去的150年，從鉛酸電池發(fā)展到鋰離子電池，電池的關鍵性能、能量密度大約提高了5-10倍。2000年以后，在單顆粒實驗這些典型的電池實驗技術推動下，人們有了新的發(fā)現(xiàn)。

　　Dokko教授在單個顆粒實驗上進行的充放電實驗中發(fā)現(xiàn)，單個鈷酸鋰顆粒在126C下充放時，容量的保持率依然大于80%。同樣是鈷酸鋰的正極材料，制成單體后它的大倍率放電能力大約要下降1-2個數(shù)量級。大家都有概念，單體的放電倍率對于高能量電池來說一般在幾C，甚至1C、2C。

　　有了好的設計以后，要想變成好的真實的電池產品性能，還必須有先進的電池制造設備和工藝保障。因此，這張圖(圖1.)反映了三者的關系。

　　電池材料的發(fā)展水平，克容量、高電壓材料的出現(xiàn)，是電池性能的理論上限。那么好的電池設計的目標，就像我們去觸摸天花板一樣，要通過好的設計，把熱力學上儲存在電池材料上的內部能量，在到達截止電壓之前，“物盡其用”的發(fā)揮出來，這是動力學上的一個成功。一旦電池設計定型以后，電池的制造，通過工藝的調試、不斷發(fā)明的好的設備，就可以不折不扣的變成真實的產品。

　　* 圖1(圖片截自嘉賓發(fā)言PPT)

　　中間藍色部分的電池設計，它完成的一個主旨是，在既有材料的發(fā)展水平下，通過設計來改善電池的性能，這個性能是動力學上的性能。

　　電池產品設計工作的一個典型任務大概如這張表(圖2.)所示。

　　* 圖2(圖片截自嘉賓發(fā)言PPT)

　　首先，在電池設計過程中有很多設計變量。比如材料配方的變量：選什么樣的主材、什么樣的助劑，它們之間有什么樣的配比關系。微觀結構的一些變量，比如材料顆粒粒徑如何分布、電極的涂布厚度、孔隙率或者壓實密度，包括電池內部大量存在的界面，如集流體界面、顆粒界面等等。更大一點尺度上，還有形狀尺寸的一些設計變量，還有構型之爭一直是電池產業(yè)發(fā)展中一個非常受人關注的話題。近年來還有很多新的電池構型在不斷地涌現(xiàn)，在確定的形狀特點下，它的尺寸比例如何調整，極耳這樣一些關鍵部件的位置如何調整等等。

　　非常眾多的，大概數(shù)十個設計變量都是為了達到電池的性能需求。一般來說，我們對于電池至少有電性能的需求，如能量密度多少瓦時/千克;功率密度在不同的持續(xù)放電時間下能夠達到多大功率值。除此之外，還會有熱性能的要求，電池在工作過程中的最高溫度，最好控制在一定范圍內。大型電池內部會發(fā)育出溫差，這些溫差也需要得到很好的控制。除了電和熱的性能需求之外還有壽命的需求，我們希望它達到數(shù)千次、上萬次的循環(huán)壽命，還有安全性的需求等。

　　電池產品設計的一個典型任務，就是在給定的一套性能需求下來確定這一攬子的設計變量。

　　在電池產品設計過程中，設計方法一直隨著時代在不斷發(fā)展進步。目前我們回顧以前、展望未來，大概可以將電池產品的設計方法分為三代核心技術。它們分別是：長期以來，無論中國還是歐洲新興的動力電池產業(yè)中，都在大規(guī)模使用的實驗試錯方法，我們稱之為第一代技術;目前第一代實驗試錯方法正在向第二代技術(過渡)，我們稱之為仿真驅動的正向設計技術;通過以仿真驅動的正向設計替代實驗試錯，單個型號、產品設計的效率大約提升2-5倍。未來5-10年，在2025-2030年這個階段將發(fā)生的一次關鍵技術進步，是以仿真驅動的正向設計方法為基礎，進一步向無人化(既包括全自動的含義、也包括智能化含義)，智能化全自動的電池產品設計方法進步，我們稱之為電池產品設計的第三代技術。在第三代技術下，可以將單品開發(fā)的效率進一步提升10-100倍。

　　這就是電池產品設計的三代的核心技術，以及從第一到第二，目前正在發(fā)生的和未來5-10年即將發(fā)生的，從第二代到第三代的技術躍遷。

　　后續(xù)部分我們分別來看一下電池設計技術的過去、現(xiàn)在和未來。