廖伯彥：電池組電池設計和性能的電池參數的理解
5月24日，CIBF2018 第十三屆中國國際電池技術交流會展覽會在深圳會展中心開幕。美國愛達荷國家實驗室、清潔能源和運輸部、儲能和先進車輛部門經理廖伯彥博士在技術交流會上發表主題演講。以下是演講正文：
今天我會和大家聊一下電池組、電池性能設計方面的問題。我們和很多的實驗室進行合作，說一下這個路線圖，說一下實驗室所在的位置，以及現在的情況。這是俄勒岡鋼軸在西部、東部、南部，我們有瑞華大州和猶他州。這是美國的西北部，這個實驗室有一個白色的圈。這個實驗室非常的大，有900多英里，將近2400平方公里，是一個很大的國家實驗室。主要的工作是核能的發電，我們這些核能發電的反應爐的設計核材料的開發，怎么去提煉，還有很多有關的生態保護，還有很多其他的工作都是在這個實驗室進行。
我們是一個比較小的單位，主要是看核能發電和電網的銜接以后，所有再生能源的使用跟電動車使用，儲能的使用，對整個電網的關系，我們做相當深度的開發。在我的實驗室當中，其實我們的工作范圍比較廣，從根本的方法的了解，從能源到電網，一切都是在一個實驗室完成，和其他的實驗室相比，阿貢實驗室，這些實驗室更多的是科學實驗室，而我們是聚焦在非常廣泛的程度，我們主要是應用在科研方面，并不是單一的方面。阿公實驗室和其他的實驗室的范圍就比較小一些。
我們現在要推動技術的轉讓，從材料科學到整個系統，在技術的轉移方面，在銜接方面，技術的瓶頸是我們想知道的最重要的研究方向。這里涉及到交通，還有能源儲存，我們現在電池的技術，快充技術，還有特別快速，超快速的充電，充電性能的情況（PPT）?；A設施，充電樁，充電設備，還有成本方面的問題，還有材料科學方面等等各個方面的問題。包括固態電池技術，還包括高溫的燃料電池，還有反應堆，我們還有生物燃料等等，范圍是非常廣。在電池方面，我們涉及到電池的診斷和電池的以后情況，簡單的情況可以通過測試可以看到，我們可以理解電池發展當中存在什么樣的瓶頸，我們有三個實驗室，一個是BLESS，能源系統儲備評估實驗室，另一個是非破壞性的電池實驗室，用于評估的，稱之為NOBLE，還有一個電動汽車架構的實驗室。我們有無線充電，包括合網并網的整體性，涉及到非常多。
我們有非常強勁的合作伙伴和USABC，美國能源不下面的，我們還有很多的主機廠，跟它們進行合作，我們還有電動汽車的服務設備的提供商和研發上。我覺得這個方面我們的合作伙伴非常的多，我們還有和特斯拉進行合作。同時，我們勢能下一步新的低成本的耐用性、安全、可靠的電池，還有搭建車的平臺，以及燃料的基礎設施。
傳統上我們做電池，從材料開始，從材料做正向的電池設計，一直到整個成品，到電池的組裝做測試以后來了解到底這個電池的設計好不好，這是一般我們做電池的方法。在這種應用當中，我們有正向的設計，當電池出現問題的時候，出現故障的時候我們不知道怎么去追訴它。在研發的每一步可能都會出現問題，比如說在軟包電池，材料、制造、模塊、電池包、整合、控制，包括BMS，整個電源管理系統，在整個供應鏈系統當中實際上都有問題，我們要解決的。在微觀甚至到宏觀的測量，到整個電池的系統表現，中間出問題的，這個問題在哪里，一般怎么解決，這個問題一般在產業里面是不會注意到的，在實驗室里面這是我們工作的重點。我們的工作重點是反過來做，從系統的測量分析里面去了解到底現在電池的成品需要改進的方針在哪邊。由這個失效機制，失效的模型跟它的效應做反推的工作，了解失效的原因是什么，技術上的瓶頸在那里。
我們的工作從電池500到快充，一直到整個成品的設計，測試，在USABC里面的工作，我們把這些信息都能夠連接在一起去了解整個電池系統的問題到底是在哪里，有多少問題是因為電池的控制，有多少問題是因為電池的使用，有多少問題是電池的設計，有多少問題是電池的制造，還有多少問題是電池材料本身的問題。這個都必須要做有系統的分析以后，我們才知道這個電池，整個產業鏈的瓶頸到底是什么樣的問題。
所以，我們對電池的看法是反過來看的，我們要看的是到底他的不同點在哪里，我們做模型要了解的是我們怎么去了解電池的變化，不是你當初設計的時候想要看到的。我們做分析是想知道這些超于常態的分布是怎么來的，怎么去控制它。我們要知道的是機理上的了解，不是做實驗對應得到的結果。因為你不曉得你的準度跟精度到底在哪里產生了問題，所以我們要知道是由精度跟準度的控制，去了解在什么狀況下這個表現是異常的，由這個表現異常才了解這個問題到底出在哪里。
所以，我想我們做這個應用科學的方法在傳統上跟大家是有很大的差異。怎么去看這個問題？以電池500的題目來看，這兩天也聽到曉青老師，張繼光的演說，講到電解質里面電池的設計上的關鍵性的問題。但是他們只告訴你正向的，設計上的一些問題的解決方案，但是沒有辦法告訴你這個電池如果做不到500瓦時/公斤，到底問題在哪里？是電解質的問題？是正極的問題？是負極的問題？是設計的問題？是控制的問題？這個問題他并沒有辦法回答你。在我們實驗室是反過來做的，根據他們的設計方案，根據他們給我們的電池，我們做測量以后，再把測量的數據做正確的分析以后回饋給他們，告訴你到底是電解質不好，是正極的材料損失產生的差異，或者是在很多負極還有其他組裝上沒有得到500瓦時/公斤的要求。
我們在做很多這方面的分析的時候，我們分析的角度和看法實際上是相當有差異的。比如說我們做這個電池的模型，我們的模型看的不是我們現在測的跟我算的對不對，我看的是我算的跟做的不對的時候到底是哪邊出問題。我們做這個模型，右下角的模型（PPT），我們看的是電流的分布，沒有意識看電流分布跟我們測的到底對不對，而是說由電流的分布看到底什么時候在快充的時候會西歷（諧音），會產生質晶，什么樣的狀況下可以做正確的判斷，如果這個電池沒有辦法做常態的表現，是什么東西出了問題。
長質晶不一定是材料問題，可能是控制的問題，可能是設計精度的問題，在制造電池的時候的控制問題，有很多問題沒有辦法了解，也就不知道怎么解決。我們通過做模型的方法幫助我們了解。左邊這個圖很簡單（PPT），就是一個簡單的扣電實驗，用扣電實驗的表現我們可以了解到底是什么樣的失效機制引起扣電的表現之間產生了差異。這16個扣電一次做完，基本上可以做到非常一致，中間的差異，我們只能講16個測量頻道之間可能的差異，而不能講這個差異是16個扣電本身的差異。
但是就是在這樣好的扣電，做金屬電極研究的時候，看它的生命循環壽命是有很大的差異，這個循環壽命的差異，我們可以用電化學的分析，這里面到底不同的生命周期的表現，里面的問題是什么問題，到底是因為鋰損失的問題，還是因為鋰跟正極之間反應的時候產生了SEI的不同表現，產生的阻抗增加的問題，還是更多其他問題。這種東西是很重要的，我們的研究方法跟看的東西實際上跟大家做一般研究的時候注重的東西，我們是用反差的方法來看問題的。
我們實驗室，因為從材料本身一直做到整個單體，到電池組，這邊就是我們最近發表的一篇文章（PPT），從實驗室里面得到了一些表現，經過3-5年的使用表現，到底電池組跟電池本身的單體關系，能不能看到它的失效，整個失效過程是怎么演變的，能不能了解到當初電池的設計有哪些問題，哪些是因為使用得來的，哪些是因為設計得來的，哪些是因為在不同的地方使用的關系而得到的這些差異?，F在我們在做這方面的研究，幫助產業了解現在電池設計上的瓶頸問題。
電池500有一個很有意思的工作，我們先從解決高能量、高比能的設計跟長的壽命開始，后續再來解決高功率的問題。為什么從高比能來做？一個平臺很好的告訴我們，從電池的設計，電極材料本身，到整個安全設計，互相之間的關系怎么用設計的方法，怎么用解析的方法來了解我們做到電池500瓦時/公斤，做一千次的循環。金屬電極要做到一千循環是不容易的，要做到500瓦時/公斤也不容易。我們要了解從設計到實驗里面的問題。
團隊有三個梯隊，一個梯隊是了解材料當中的動力學的關系。第二個梯隊是從電極的設計，了解電極設計里面的極限。第三個團隊是看整個電池設計完以后的表現，由電池的表現看到底多少問題是由電極產生的，有多少是材料本身動力學的極限而沒有辦法做到電池達到原來的設計標準。我們看電池的表現很重要，看差異性來看電池到底碰到什么問題。怎么看差異性，這是我們電池設計的一個參數，右邊是整個測試的流程。
從電極里面，看它的差異性，有可能是從正極來的，我們用的正極是622三元，也有可能負極來的，從鋰金屬的厚度，它表層的產生的異物和形貌，也有可能是電解液，也有可能是測量的一些精度的問題，而沒有辦法讓電池的表現能夠達標。這些問題要怎么慢慢去分析？如果看16個電池做出來的精度，一般來講16個電池做到一致性差異是沒有的。24小時放電量出來的曲線基本上是在一條線上的，這是扣電。但是如果讓它循環，前面的25周期16個電池還是在一個很有限的變化里面，表現性、重復性是非常好的，做第一個10小時充放電和20小時充放電，了解有多少材質損失，由這個材質損失實驗才知道到底有多少的損失是因為材料本身的變化，有多少是電池本身設計上的一些差異引起的問題。但是到后面25個周期的時候差異性就出來了，本來是16顆很好的一致的電池，經過不同的測試手段以后，它的差異性就出來了，這個差異性出來，我們就要開始了解到底這不同的電池里面為什么會有這些差異。
好的電池一般來講一致性還是非常好，我們有一些電池開始有點走樣，怎么定義這個走樣？這是很有意思的，我們把它叫不好的電池。還有一些實際上是非常難看的，一下子就差不多了，已經沒有辦法再使用了，我們叫很難看的電池。第一個我們看的就是dQ/dV，25個周期看到表現基本上是一致的，但是有些微笑的差異，這些微小的差異很可能是材料的，也可能是組裝的時候產生的差異，開始會有一些變化。這些變化在第一次的Refer很難察覺到差異。到第二次25周循環的時候，這個差異性在不同的電池里面就開始出現了，有些出現是相當亦然的，有些出現是微觀的，只是偏差，有些是很明顯的差異。
到底是什么問題引起的？我們從充電，從放電，里面的這些差異就可以去追尋它的前因后果，是什么時候充電或放電的時候結果會有差異，這些差異開始會告訴我們這些差異的來源可能是來源于什么問題。
回到熱力學的分析，同樣的材料電化學的反應應該是一致的，熱力學的原理，在同樣一致的反應里面，為什么這些差異會產生。當然，這些產生應該是動力學的一個問題了，意思就是說可能很多表面、界面的問題，也有可能是離子傳導的問題。這樣的問題在同一個設計，同樣一個電池里面會產生變異，能不能用簡單的方法去判斷。我們的方法是怎么定義充電狀態，怎么定義放電狀態。由放電狀態跟充電狀態之間的差異，我們可以追尋什么時候鋰的損失可以檢測出來，在什么狀況下這些損失我們可以去了解它的差異。
從10小時、20小時放電跟3小時放電的循環里面，由這些倍率差異可以知道到底是動力學影響的差異，我們可不可以察覺，我們有一套方法可以做這個分析，這個分析告訴你，比如說20小時放電，從25次循環基本上是有一致的關系，到后面放電的狀態，20小時放電的時候開始會有一些差異，這些差異在用3小時放電的刻度去看，就會發現它不是一個極化的問題，還有界面跟SEI傳導的問題，這些問題在做分析的時候，慢慢這些差異就會開始顯現出來，告訴你這些電極里面到底是出了什么問題。
把這些問題做一個總結，從SOC，跟它阻抗的關系，慢慢就會發現到底這是一個熱力學材料損失的問題，還是動力學阻抗傳導的問題。這些問題總結以后就會發現，實際上一開始好的電池永遠逃不過一些材料的損失，材料損失是16個電池都會碰到的問題。
這些問題到了后面的時候，要把這個鋰從鋰金屬開始，會產生新的SEI，這些新的SEI可能不一樣，會產生好的跟不好的介質的差異。到后面SEI產生的膜會產生鋰離子導的時候，就會引起跳水的問題，我們知道是傳導引起的問題。這16個電池已經告訴我們整個生命周期的問題，只是它發生的時間點是不一樣的，當它的機制是一樣的，由這個理念可以開始去發覺，到底我們在當初組裝的時候這些電池里面的材料跟它的組裝方式是怎么樣產生差異。
一個基本的觀念，怎么用逆推的方法電池設計的問題，以這個方法我們去了解從結構上，從材料的本身，熱力學、動力學的問題，到整個電池的設計，它們之間的差異怎么去用不同的分析方法，不管是物理分析還是化學分析，電化學的分析，慢慢把這些關系找出來以后，就了解了設計上的問題。
失效分析是一個很重要的手段，一般我們在產業里面很少人用這種方法幫助你做電池設計。我們希望基于這個機會告訴你們失效分析本身是非常有用的手段，你要做的是定量，能夠做到定量的手段的時候，那你對整個技術的環節，跟整個電池設計里面的關系，就會找到一個非常好的對應，由這個對應，最重要看的是差異性，不是一致性；最重要要了解不是只有電池材料的問題，整個電池的設計牽涉到的問題是相當復雜的，你必須要有相當好的準度跟精度去判斷這些差異的來源。最后，希望有機會大家可以到我們實驗室參觀。
提問：謝謝廖老師的報告，一個簡單的問題，我們有的時候做分析的時候，希望理解里面的電池化學，如果我們理解了電池化學，實際上相當于有了數據庫，遇到問題的時候，反推是可以找到答案的。比如說在做鋰金屬或是500瓦時/公斤的時候沒有這些數據庫，逆向分析怎么幫我們建立數據庫或怎么幫我們探究真正的原因？
廖伯彥：最重要的問題不是數據庫的問題，是用有限的信息了解數據包含的意義。我今天講的問題不是想說我們這個電池做的多好，而是從簡單的分析里面怎么去從數據里面了解到底有限的信息能告訴你電池設計上它的缺失在哪里。16個簡單的電池，不管是好不好，都會告訴你很多信息，主要的問題是從這些信息里面找出什么樣的結論來幫助你做設計，這是最重要的。
（根據速記整理，未經嘉賓審閱）
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