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高比能、高安全性是动力电池未来发展方向。从最开始的锂电池动力化转型,到现在的电池技术数字化、智能化转型,安全性都是首要解决的问题。

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在能源转型的大背景下,我国新能源汽车发展势头强劲。工信部数据显示,今年前三季度,我国新能源汽车产销量分别完成631.3万辆和627.8万辆,同比分别增长33.7%、37.5%。新能源汽车新车销量占汽车新车总销量的29.8%,产销规模进一步扩大。

作为新能源汽车的核心部件,动力电池的安全问题至关重要。在近日举办的新能源科学与交通电动化国际论坛上,中国科学院院士、清华大学教授欧阳明高指出,高比能、高安全性是动力电池未来发展方向。从最开始的锂电池动力化转型,到现在的电池技术数字化、智能化转型,安全性都是首要解决的问题。

欧阳明高看来,电池技术的创新周期大约是30年。自2000年起,锂离子电池开始在动力方面应用,预计到2030年将会有一次全方位的技术革新。

“2000年开始的第一个十年,主要是在解决锂离子电池动力化的安全问题,现在也还在继续解决。2010年起的第二个十年,随着动力电池产业规模不断增大,提质增效需求推动了动力电池全产业链的技术革新、数字化转型。第三个十年,也是现在正在发生的,电池超高比能量的需求催生新材料的换代,也就是以固态电解质研发为核心的全固态电池技术。”欧阳明高表示。

据欧阳明高介绍,电池安全问题的本质是电池热失控,主要由过充、过放等诱因导致电池内部温度上升,超过正常电化学反应过程释放的热量,导致发生放热的副反应,加速电池温度上升,当温度达到临界点就会发生热失控。“热失控在整个电池系统内蔓延,就像引燃一个鞭炮一样,导致最后的电池燃烧事故。”欧阳明高说。

“为应对这个过程,我们建立了电池安全技术体系。推出了电池行业首个AI大模型,使电池安全预警的准确度提高了一个数量级,建立了电池热蔓延的测试和仿真,以及热管理设计的全套技术,保障了中国新能源汽车大规模推广时的安全水平始终不低于燃油汽车,平均事故概率低于0.5/10000。这一技术解决了用户的安全焦虑,这也是最重要的一个焦虑。”欧阳明高表示。

据介绍,电池安全技术体系主要包括三个方面:一是被动安全的安全电池,针对热失控蔓延进行防控设计和系统开发;二是主动安全的智能电池,针对各种诱因进行安全预警和主动调控;三是本质安全的固态电池,通过提高电池材料的热稳定性,来防止热失控的发生。

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以能够实现主动安全的智能电池开发为例,欧阳明高介绍,电池热失控诱因就像人的癌症一样,比如肺癌的结节,刚开始是不明显的,但是慢慢会长大。“怎么来复现这个过程呢?我们采用了缺陷植入,有目的地将焊渣等收集起来植入到电池里,这样就可以观察热失控的早期、中期、晚期、末期是如何演变的。通过这种复现重构热失控过程,就可以找到预警的方法。”欧阳明高说,预警之外,智能电池还要具备主动调控和智能化功能,在此基础上,进行全生命周期的智能设计、智能制造、智能管理、智能回收。

在欧阳明高看来,动力电池的最终目标,是要做到本质安全,这要通过全固态电池的开发来实现。首先是解决正极材料、负极材料、电解质的问题,通过使用高安全隔膜、增加阻燃剂等方式提高本质安全。“我们通过结构调控实现了Ni90高镍正极跟硫化物复合电极下容量达到235 mAh/g,在5C充放电倍率下的循环超过5000圈。我们制备的硫化物全固态电池体系下的硅材料比容量超过了2400mAh/g,首次库伦效率超过了86%,现在已经开始了千吨级的产业化。另外,我们也研发了Ah级的全固态电池,目前可以做到电池容量15Ah,能量密度达到350Wh/kg,热箱耐受温度200℃,工作区间-20℃—120℃,预计到2025年能量密度能到500Wh/kg。”欧阳明高介绍。

“目前安全电池已经做到了产业化,为动力电池和储能电池提供了新方法。我们正在开发下一代智能电池,将安全技术、智能技术全部结合起来,预计在2025年左右产业化。全固态电池也在研发之中,预计在2027年—2030年间可以规模产业化。”欧阳明高表示。

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原标题:中国科学院院士欧阳明高谈动力电池:到2030年将有一次全方位技术革新

文 | 本报记者 李玲