Rachid Yazami：鋰離子電池長(zhǎng)壽命及快充新策略
5月22日，CIBF2018 第十三屆中國(guó)國(guó)際電池技術(shù)交流會(huì)展覽會(huì)在深圳會(huì)展中心開幕。新加坡南陽理工大學(xué)Rachid Yazami教授在技術(shù)交流會(huì)上發(fā)表主題演講。以下是演講正文：
大家好，首先感謝主辦方，以及劉總邀請(qǐng)我參與此次2018CIBF。我今天想和大家聊的是里電子長(zhǎng)壽命及快充新策略，我們一直在研究的ETM技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)如何解決電池相關(guān)方面的問題。我希望能夠以最短的時(shí)間給大家進(jìn)行介紹，讓大家可以很好的理解我們的快充以及相關(guān)的新技術(shù)。
現(xiàn)在電池的問題，比方說有能量密度的問題，功率密度的問題，充電的狀態(tài)，它的安全度，還有健康度等等。當(dāng)然，我們知道電池應(yīng)用的方面也是非常廣泛的，比方說用在手機(jī)，同時(shí)快充方面也有。另外，充電的狀態(tài)也是非常重要的，這是需要我們進(jìn)行控制的一個(gè)方面，我們可以知道我們所處的研究階段在哪里，我們也可以知道我們現(xiàn)在的能量。另外，電池的健康程度，它有沒有老化的問題，還有安全度。大家可能也會(huì)說到產(chǎn)品的成本，我今后也會(huì)更多的和大家解釋一下。
能量密度方面，我們知道能量密度在1991年之后有了很大的提升，我們一般都會(huì)用瓦時(shí)/千克的單位衡量，在未來4-5年，希望我們的能量密度可以達(dá)到300瓦時(shí)/千克。但是我們可以看到，我們現(xiàn)在的發(fā)展也是非常迅速的。同時(shí)，大概我們現(xiàn)在所能達(dá)到的能量密度就是250-300瓦時(shí)/千克，而能量的密度，這是我們計(jì)算的公式，安培每時(shí)×于電壓÷千克或升。如果看之前的公式，我們要增加Q和U，并減少M(fèi)或V。所以我們?nèi)绾卧黾観，也就是我們需要增加新的正極、負(fù)極的容量，如何增加安培10的Q，是不是想要改變一些正極、負(fù)極的材料。
同時(shí)，我們還要增加負(fù)極、正極的利用率，盡管我們都會(huì)用一些新的材料，但是我們的利用率卻沒有達(dá)到百分之百。如何增加電壓呢？我們也要應(yīng)用更高壓的正極，低壓的負(fù)極，大概可以達(dá)到5伏，這樣的話可能可以達(dá)到100-200MV的程度。另外我們要降低內(nèi)部的阻力，隔膜和電池工程設(shè)計(jì)，特別是用高倍率的電池，快充的電池，這方面是需要解決這些問題。
另外，如何降低V呢？我們要用的正極、負(fù)極材料，要用更加小容量的質(zhì)量和程度，另外我們還要用更加高密度的材料，這樣就可以看到能量密度有提升。功率密度的公式（PPT），功率密度怎么增加呢？就和我們剛才研究的步驟是非常相似的，如何增加電流的情況，用非常快速反應(yīng)的正負(fù)極的材料，電流反應(yīng)速度就會(huì)很快。在鋰的嵌入和脫嵌的時(shí)候反應(yīng)會(huì)更快，溶解度也會(huì)更快一點(diǎn)。這對(duì)于我們而言，如果增加現(xiàn)在的功率密度是非常重要的。另外，我們要增加界面的電子材料。
當(dāng)然，在此，我們可以用到一些結(jié)構(gòu)材料，能夠有更多的活性電子材料，當(dāng)然這個(gè)材料可以幫助我們隨著時(shí)間的移動(dòng)去保持它的容量，而就這個(gè)電壓和質(zhì)量，我們剛才已經(jīng)討論過了。
核電狀況，這是非常重要的方面，比方說這里有一個(gè)電池，或者是電腦方面的電池，我們?cè)诖硕紱]有辦法說以非常簡(jiǎn)單的方式去測(cè)量這個(gè)電池的核電狀態(tài)，這也是我們現(xiàn)在所面臨的問題。但是我們沒有有效、高效的去檢測(cè)電池的核電狀況。我們現(xiàn)在希望能夠有更好的方法，核電狀況的計(jì)算方式（PPT），當(dāng)然，如果我們有容量，我們就可以算出來電池的核電情況，如果能夠進(jìn)一步增強(qiáng)SOC，去評(píng)價(jià)SOC，我們要非常準(zhǔn)確的進(jìn)行評(píng)測(cè)，我們需要檢測(cè)充電和放電I的值，還有T的值，這個(gè)T值也是非常重要的，而電池的健康狀態(tài)是不是有老化的情況呢？它的容量是不是在下降呢？我們可以看這個(gè)等式，我們看到能量密度，它其實(shí)和能量密度相關(guān)，N是循環(huán)數(shù)量。我們可以看一下這個(gè)就是其中的一個(gè)電池狀態(tài)檢測(cè)的等式（PPT），就是現(xiàn)在的一個(gè)能量狀況÷原始的能量狀況。我們當(dāng)然都想得到電池最好的狀態(tài)，需要非常低的放電，我們看這個(gè)等式就是如何增強(qiáng)其中的檢測(cè)，我們需要檢測(cè)它的能量、功率密度、使用時(shí)間的長(zhǎng)短。
當(dāng)然，我們知道電池的健康程度其實(shí)對(duì)于堅(jiān)持的安全性，使用壽命的長(zhǎng)短都是非常重要的。那些老化的電池更容易有熱損失，它也更容易有電池降極等等一些問題。另外一些電池安全度的問題，這是大家都十分關(guān)注的，我們可以想到如何真正的預(yù)測(cè)電池的安全性，可能有些時(shí)候這個(gè)電池有熱損失，同時(shí)還有一些過熱，高倍率充電等等問題，可能都會(huì)導(dǎo)致熱損失。當(dāng)然，安全問題是非常重要的，是不容忽視的。如果我們談能量密度、功率密度和成本，這些在安全方面都是微不足道的。
這是對(duì)于電動(dòng)汽車生產(chǎn)商非常重要需要考慮的一個(gè)方面，當(dāng)然，我們知道電池安全以及它的使用能量，它的一些控制策略，它的融合方面都會(huì)有很多方式去做的。接下來說一下ETM的技術(shù)，當(dāng)時(shí)我在佳妮福利（諧音）壓研究院做的這個(gè)系統(tǒng)，在過去的17年我一直在做ETM，因?yàn)槊恳粋€(gè)月我們都會(huì)發(fā)現(xiàn)一些新的有關(guān)于電池的新技術(shù)的進(jìn)展。ETM的原則，主要是在開放電路，是開路電壓，這里是固定的。我們可以看一下，它是根據(jù)溫度發(fā)生變化的。
第二個(gè)原則，它的溫度是直線的情況，我們有各項(xiàng)同性的情況。在開路電壓當(dāng)中，我們會(huì)有能量，各種同性和各項(xiàng)異性。這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的方法進(jìn)行商值（諧音）的衡量（PPT），我們?cè)诔潆姷倪^程當(dāng)中，衡量的開路電壓就是商值（諧音），紅色穩(wěn)定的值是25，灰色的曲線講的是電壓的情況。我們有一個(gè)線性依賴的情況，在底下，大家可以看到非常明顯的線性開路電壓的情況。這就是我們的商值，在充電過程中可以看一下商值的剖面圖，我們可以看一下它的OCP的路徑（PPT），我們看一下H這個(gè)剖面，有最高和最低值，它是并不是完全一樣的變化，有高有低，這里有一些相變。實(shí)際上告訴我們?cè)诔潆姾头烹姷倪^程當(dāng)中，我們有一些相變的情況出現(xiàn)，它影響了Deta S和DetaH，我們可以高最高值，但不是開路電壓的數(shù)據(jù)。我們可以看到預(yù)值，在這方面我們研究了更多的信息，對(duì)于正極、負(fù)極的過程，以及它的原理。如果我們只衡量電壓的話，那不是夠的。
為了做這些工作，我們研發(fā)了一些設(shè)備，在新加坡NGU，我的公司正在研發(fā)這些設(shè)備，它能夠了解商值，這是60安培小時(shí)。這是鋰電池商值圖譜，我們可以看到NCO、LCO，磷酸鐵鋰、鋰，看一下商值在各個(gè)電池當(dāng)中不同，我們可以看一下電池的不同，可以決定電池組成的情況。
接下來給大家說一下ETM技術(shù)的應(yīng)用，我們?nèi)绾翁岣吣茉疵芏龋灰淖兲嗟碾娀瘜W(xué)。我們做的基本工作就是提高它的熱穩(wěn)定，熱動(dòng)力，我們做了半個(gè)電池和全電池的循環(huán)周期。從理論上來說，我們可以看一下這個(gè)紅色的是全電池（PPT），藍(lán)色的是它的商值正極和負(fù)極。深顏色的是計(jì)算的值。在藍(lán)色和紅值有一個(gè)巨大的變化，這就意味著在充電的過程當(dāng)中，SOC不同于正極和負(fù)極的充電情況，這就意味著并不是百分之百的使用正極和負(fù)極的利用效率。通過這個(gè)計(jì)算，我們進(jìn)行轉(zhuǎn)變它的位置，它的正極和負(fù)極情況，我們計(jì)算的值會(huì)變得更好，它能夠到達(dá)峰值，可以到達(dá)商值和全電池有一個(gè)同樣的商值情況。
為了進(jìn)一步的推動(dòng)電池技術(shù)的發(fā)展，我們沒有完全利用百分之百的效率，我們用殘余的鋰電池，我們?cè)诜烹娺^程當(dāng)中進(jìn)行觀察，有碳酸鹽、碳酸鋰的電池在第一個(gè)充電回合，然后進(jìn)入到負(fù)極，然后鋰在第一次充電不能夠恢復(fù)，這是出現(xiàn)鋰的損失。第二個(gè)回合以后，完全進(jìn)行放電，那么我們可以看一下負(fù)極出現(xiàn)了一些金色，還有染色，已經(jīng)完全的進(jìn)行了放電。為了進(jìn)一步的提升能量密度，我們看到在放電末期，我們使用了三電極三極管的概念，在負(fù)極當(dāng)中，鋰得到恢復(fù)，圖表看的非常清晰（PPT），我只用負(fù)極，并沒有用正極來做這樣的測(cè)試。我們可以看一下，這個(gè)是鋰（PPT），左邊的電池像一個(gè)新電池一樣。這個(gè)過程，不僅是涉及到電極，這是一個(gè)非常低的電壓，我們看到了一個(gè)氧化的過程，有一個(gè)基層氧化的過程，這是我們不想看到的。
我們?cè)谧鲞@樣的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，我們看到右邊（PPT）給大家展示了正極的變化情況，在完全充放電的情況。我們看一下0.92，這個(gè)是最高的情況，還有最低的情況是0.6，還有Y軸的最大是0.62，Y軸最小是0.06。如果我們看一下負(fù)極，它是完全放電，這個(gè)鋰是最低的。為什么呢？因?yàn)橹挥?，所以這里我們并沒有百分之百的使用負(fù)極，在這個(gè)方面我們只有0.62。
我們注意到這一點(diǎn)，我們不知道有多少鋰是從負(fù)極出來的，我們大家可以看到，有一個(gè)完全的周期，在這個(gè)過程當(dāng)中這個(gè)鋰可以完全恢復(fù)。我們可以給予電池新的壽命。
接下來說一下快充，作為快充來說，我們是引進(jìn)非線性的伏特衡量的方法。CC是我們經(jīng)常使用的全電量衡量的技術(shù)，現(xiàn)在進(jìn)行有效的衡量，快速的充電我們是小于30分鐘的，所以用NLV，我們做的是這樣的功能（PPT），我們的電流，還有它的時(shí)間情況，還有SOH的情況，還有生命周期的情況。從這個(gè)情況來說，我們看到了典型的NLV的充電圖，這是37分鐘的充電時(shí)間。紅色的是電壓，藍(lán)色的是倍率，我給大家展示它的容量，這是200個(gè)周期以后還是非常穩(wěn)定，我們只充了35分鐘。如果我們比較一下這個(gè)技術(shù)，這是CCCV和NLV，我們有更好的效率，我們有更好的周期。NLV和CCCV比有很多的優(yōu)勢(shì)，CCCV是一個(gè)小時(shí)，NLV是30分鐘，時(shí)間上就有很好的優(yōu)勢(shì)。
現(xiàn)在我們每天做的日常工作，我們想要一個(gè)電池使用著，每天早上六點(diǎn)起來要上班，在工作的時(shí)候可能會(huì)對(duì)電池進(jìn)行快充，30分鐘，在一個(gè)小時(shí)內(nèi)可以充好，一天可能會(huì)充3次，然后他們會(huì)回家，有6個(gè)小時(shí)CCCV的充電時(shí)間，一個(gè)是30分鐘的NLV的充電時(shí)間，3次。我們做400個(gè)周期，新加坡的同事昨天說其實(shí)已經(jīng)做了500個(gè)周期，在這里可以看到（PPT），容量的情況在30分鐘的表現(xiàn)是非常的好。
（PPT）這些是其他的技術(shù)，這是10分鐘的電流和電壓的情況，我們只用幾秒鐘的充電時(shí)間就可以到一個(gè)非常大的電壓，4.7伏，只要10分鐘。這是一個(gè)倍率的放電圖，在充了10分鐘以后。150個(gè)周期在一個(gè)小時(shí)，大家可以看到這個(gè)圖譜非常好，表現(xiàn)的非常優(yōu)異。（PPT）這是充電的狀態(tài)，非常感謝大家。
提問：作為快充來說，能不能說一下鋰離子的低溫表現(xiàn)？
Rachid Yazami：我們沒有做任何低溫的衡量，這是另外一個(gè)非常重要的一點(diǎn)，我們應(yīng)該要找到這個(gè)答案。比如說在10度以下發(fā)生了什么，我們正在看。在10度30分鐘的充電時(shí)間我們沒有做過這樣的實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)在我們還沒有看到容量的變化，因?yàn)槿萘窟€是比較穩(wěn)定的。這種鋰平板的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)電流變成0的時(shí)候，我們其實(shí)還沒有看到鋰方面的變化。
（根據(jù)速記整理，未經(jīng)嘉賓審閱）
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