钜大LARGE | 点击量：1078次 | 2021年12月06日
清华何向明：锂离子电池五分钟快充？不可能！
十一月二十三日，清华大学能源研究所何向明教授出席某会议，针对电池的一致性和安全性问题，发表了题为“锂离子电池的一致性和安全性”的演讲。
以下为演讲实录：
新能源汽车是我国的一个大势所趋的发展方向，无论是储能还是车上的电池都是非常重要的部件，近些年来我们开展了大量的研究工作，今天给大家带来的就是这段时间我们对电池应用方面的思考。
我的报告分为两个内容：一个是电池的一致性，另一个是电池的安全性。比如，韩国的Note7爆炸了，iPhone又鼓胀了，这到底是什么问题呢？下面我们就来分析一下。
一、电池的一致性问题
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
1.串并联引发电池一致性问题
首先，电池的一致性问题。过去手机电池都是单块单块地使用，但是大规模储能和基站储能都要很多的电池连在一起。以特斯拉作为一个典型的例子，大约是7000-10000块小电池通过串并联得到。这时，假如电池不一致就会发生很多问题。
第一，并联情况。三块电池并在一起，理想来说电流是平均分配给每个电池的，但实际情况下每个电池的电流并不一致，也有差异的特性。所以，电流不会平均分给每一个电池。早期电流是不相同的，但是由于三个电池的容量是相同的，早期的不相同到了最后要充满的时候会发现，早期电流小的最后就会突然增大，这会影响电池的发热，进而电池系统也会出现不一致的情况。
第二，串联情况。串联的情况更严重一些，不一致就会导致有些电流先到达充电电压，假如不做控制就会出现过充过放，会对电池有损害并且造成安全性的问题，假如控制的话电池的容量就发挥不出来，最先到达电池的容量控制了整个系统的容量，这样对电池系统容量的发挥也是非常不利的。
2.一致性串联筛选的新方法
一致性是这个行业最大的问题，对此我们提出了用串联充放电来进行一致性筛选的思路，具体怎么做呢？所有从厂出来的电池一致性做过筛选，然后把它进行串联，串联以后再进行充放电，这样筛选一致性会有非常多的好处。
第一，只要选一个电压就可以进行筛选，参数比较单一，而且简便快捷。第二，串联的电流绝对值相同，这样就可以防止设备的误差，因为所有通过电池的电流都是相同的，串联充放电就是基于这样一个思路。
我们提出的一致性串联筛选方法具有简单、快捷和有效的特点。因为这种方法下，每个电池的电流是绝对相同的，所以消除了设备误差的一致性筛选的影响。另外，我们只用一个电压指标就可以评判它的一致性，这样的话比较容易进行统计和比较。
3.日本一致性最好，中、韩处于同一水平
我们选了市场上的五家典型的电池，两家韩国厂商、一家日本厂商和两家家国内厂商，通过这些电池进行一致性的筛选研究。我们把每家厂商的电池拿来进行称重，发现国内厂商和国外厂商的在称重误差方面有差距。原因在于注进去的电解液的差异，这必然造成电池一致性的差异。
通过一些筛选结果和数据，最后我们看到日本的电池还是一致性各项指标都是最好的，第二和第三的是我国和韩国的公司，可以看出日本的电池还是高人一等的，国内和韩国的制造水平在一致性上是差不多的。
我们选择了韩国的电池串联循环，筛选以后发现循环性能很好，它的特性和单体电池的特性是基本相当的，证明这种筛选方法非常有效，并且非常简单快捷，一个参数就可以把电池的一致性表现出来。
二、电池的安全性问题
锂电的安全性全世界都很重视，很多机构制定了一些标准，这些标准都非常严格，即便许多产品也都可以通过这些标准，但它们中间还是有事故发生，所以通过标准的产品也不能保证其安全，这是在业内非常让人头疼的问题。
1.滥用安全性可预测
安全性到底是什么？
我们可以分成两类：一种就是滥用安全性，目前我们的检验标准都是这种，包括电的过充、短路、加热、火烧。滥用安全性是可以预测的，每个电池都是实用的，而且通过测试进行评估可以做到可控。
另一种是自引发安全性，无法通过测试预测，不了解什么时候着火，目前没有任何方法可以完全消除。比如三里屯的车着火都很大，所有目前的手段都不能完全克服。
2.锂离子电池安全隐患诱因：内短路
什么叫做化学内短路？就是有金属异物跑到电池里面，充放电的过程当中正极会被氧化，切到负极还原以后就会长成一个金属枝晶。
我们可以做个实验来证明这个理论，就是在做电池的过程当中，正极撒上一些不锈钢的粉，电池装完了以后拆开，我们发现负极上有些黑点，分析这些负极黑点的金属和正极不锈钢的成分是非常一致的，所以证明这些不锈钢粉撒在正极里面，通过充放电完全迁移到了负极。实践当中我们发现铜、铁和不锈钢都很容易在电池里面出现，使电池出现内短路。
电池当中还有锂枝晶的问题。所以必须把充电电流放得很低，常温下也不能太高，一般来说对石墨负极正常设计的话，它的充电分水岭是1摄氏度，超过1摄氏度都会有锂电泄出。很多人开发了五分钟充电、一分钟充电，但是你都看不到产品，因为科学已经决定了超过1小时充电都会有问题。大家都希望快充，但科学上还要做很多的工作，现有的电池体系是不可能做到的。
另外隔膜瑕疵也很重要，假如中间有一个粉尘掉上去堵住了，充放电的过程当中锂就过不去，会在周围沉积，这样就比较容易形成锂枝晶。
3.安全性的风险控制：化学材料的改进
这些课题组应该怎么办呢？我们挑了几个重要目的出现安全事故的点然后进行分析。我们到厂去看有什么问题，包括设计、制造和管理要特别注意的点，后来我去了一个厂几次以后它的事故率就大幅度降低了。
从我们得到的产品来看，通过化学的方法使内部的放热量降低，包括一系列的措施，我们希望电池不发生热失控，按照这个思路研发了一些新的化学材料，使电池比较稳定，最后进行短路实验、过充电实验、穿刺实验等等，证明这个方法是安全可行的路径。
我们认为，一致性串联筛选方法可以简单、快捷、有效地进行筛选，通过测试可以对目前锂离子电池的随机安全性进行评估。其中，日本的制造业确实比较好，他们的一致性、安全性都是最好的，目前我们国家和韩国基本处于相当的水平。通过化学的改进，锂离子电池的安全性是可以被逐步攻克的，这是我们近几年得出的结论。
责编：杉杉
