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电池鼓壳和爆炸的原因分析
锂是化学周期表上直径最小也最活泼的金属。体积小所以容量密度高，广受消费者与工程师欢迎。但是，化学特性太活泼，则带来了极高的危险性。锂金属暴露在空气中时，会与氧气产生激烈的氧化反应而爆炸。为了提升安全性及电压，科学家们发明了用石墨及钴酸锂等材料来储存锂原子。这些材料的分子结构，形成了奈米等级的细小储存格子，可用来储存锂原子。这样一来，即使是电池外壳破裂，氧气进入，也会因氧分子太大，进不了这些细小的储存格，使得锂原子不会与氧气接触而避免爆炸。锂离子电池的这种原理，使得人们在获得它高容量密度的同时，也达到安全的目的。锂离子电池充电时，正极的锂原子会丧失电子，氧化为锂离子。锂离子经由电解液游到负极去，进入负极的储存格，并获得一个电子，还原为锂原子。放电时，整个程序倒过来。为了防止电池的正负极直接碰触而短路，电池内会再加上一种拥有众多细孔的隔膜纸，来防止短路。好的隔膜纸还可以在电池温度过高时，自动关闭细孔，让锂离子无法穿越，以自废武功，防止危险发生。保护措施锂电池芯过充到电压高于4.2V后，会开始产生副作用。过充电压愈高，危险性也跟着愈高。锂电芯电压高于4.2V后，正极材料内剩下的锂原子数量不到一半，此时储存格常会垮掉，让电池容量产生永久性的下降。如果继续充电，由于负极的储存格已经装满了锂原子，后续的锂金属会堆积于负极材料表面。这些锂原子会由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。这些锂金属结晶会穿过隔膜纸，使正负极短路。有时在短路发生前电池就先爆炸，这是因为在过充过程，电解液等材料会裂解产生气体，使得电池外壳或压力阀鼓涨破裂，让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应，进而爆炸。因此，锂电池充电时，一定要设定电压上限，才可以同时兼顾到电池的寿命、容量、和安全性。最理想的充电电压上限为4.2V。锂电芯放电时也要有电压下限。当电芯电压低于2.4V时，部分材料会开始被破坏。又由于电池会自放电，放愈久电压会愈低，因此，放电时最好不要放到2.4V才停止。锂电池从3.0V放电到2.4V这段期间，所释放的能量只占电池容量的3%左右。因此，3.0V是一个理想的放电截止电压。充放电时，除了电压的限制，电流的限制也有其必要。电流过大时，锂离子来不及进入储存格，会聚集于材料表面。这些锂离子获得电子后，会在材料表面产生锂原子结晶，这与过充一样，会造成危险性。万一电池外壳破裂，就会爆炸。因此，对锂离子电池的保护，至少要包含：充电电压上限、放电电压下限、及电流上限三项。一般锂电池组内，除了锂电池芯外，都会有一片保护板，这片保护板主要就是提供这三项保护。但是，保护板的这三项保护显然是不够的，全球锂电池爆炸事件还是频传。要确保电池系统的安全性，必须对电池爆炸的原因，进行更仔细的分析。电池爆炸原因1、内部极化较大。2、极片吸水，与电解液发生反应气鼓。3、电解液本身的质量，性能问题。4、注液时候注液量达不到工艺要求。5、装配制程中激光焊焊接密封性能差，漏气、测漏气漏测。6、粉尘，极片粉尘首先易导致微短路，具体原因未知。7、正负极片较工艺范围偏厚，入壳难。8、注液封口问题，钢珠密封性能不好导致气鼓。9、壳体来料存在壳壁偏厚，壳体变形影响厚度。爆炸类型分析电池芯爆炸的类形可归纳为外部短路、内部短路及过充三种。此处的外部系指电芯的外部，包含了电池组内部绝缘设计不良等所引起的短路。当电芯外部发生短路，电子组件又未能切断回路时，电芯内部会产生高热，造成部分电解液汽化，将电池外壳撑大。当电池内部温度高到135摄氏度时，质量好的隔膜纸，会将细孔关闭，电化学反应终止或近乎终止，电流骤降，温度也慢慢下降，进而避免了爆炸发生。但是，细孔关闭率太差，或是细孔根本不会关闭的隔膜纸，会让电池温度继续升高，更多的电解液汽化，最后将电池外壳撑破，甚至将电池温度提高到使材料燃烧并爆炸。内部短路主要是因为铜箔与铝箔的毛刺穿破隔膜，或是锂原子的树枝状结晶穿破膈膜所造成。这些细小的针状金属，会造成微短路。由于，针很细有一定的电阻值，因此，电流不见得会很大。铜铝箔毛刺系在生产过程造成，可观察到的现象是电池漏电太快，多数可被电芯厂或是组装厂筛检出来。而且，由于毛刺细小，有时会被烧断，使得电池又恢复正常。因此，因毛刺微短路引发爆炸的机率不高。这样的说法，可以从各电芯厂内部都常有充电后不久，电压就偏低的不良电池，但是却鲜少发生爆炸事件，得到统计上的支持。因此，内部短路引发的爆炸，主要还是因为过充造成的。因为，过充后极片上到处都是针状锂金属结晶，刺穿点到处都是，到处都在发生微短路。因此，电池温度会逐渐升高，最后高温将电解液气体。这种情形，不论是温度过高使材料燃烧爆炸，还是外壳先被撑破，使空气进去与锂金属发生激烈氧化，都是爆炸收场。但是过充引发内部短路造成的这种爆炸，并不一定发生在充电的当时。有可能电池温度还未高到让材料燃烧、产生的气体也未足以撑破电池外壳时，消费者就终止充电，带手机出门。这时众多的微短路所产生的热，慢慢的将电池温度提高，经过一段时间后，才发生爆炸。消费者共同的描述都是拿起手机时发现手机很烫，扔掉后就爆炸。综合以上爆炸的类型，我们可以将防爆重点放在过充的防止、外部短路的防止、及提升电芯安全性三方面。其中过充防止及外部短路防止属于电子防护，与电池系统设计及电池组装有较大关系。电芯安全性提升之重点为化学与机械防护，与电池芯制造厂有较大关系。设计规范由于全球手机有数亿只，要达到安全，安全防护的失败率必须低于一亿分之一。由于，电路板的故障率一般都远高于一亿分之一。因此，电池系统设计时，必须有两道以上的安全防线。常见的错误设计是用充电器(adaptor)直接去充电池组。这样将过充的防护重任，完全交给电池组上的保护板。虽然保护板的故障率不高，但是，即使故障率低到百万分之一，机率上全球还是天天都会有爆炸事故发生。电池系统如能对过充、过放、过电流都分别提供两道安全防护，每道防护的失败率如果是万分之一，两道防护就可以将失败率降到一亿分之一。常见的电池充电系统方块图如下，包含充电器及电池组两大部分。充电器又包含适配器(Adaptor)及充电控制器两部分。适配器将交流电转为直流电，充电控制器则限制直流电的最大电流及最高电压。电池组包含保护板及电池芯两大部分，以及一个PTC来限定最大电流。电芯以手机电池系统为例，过充防护系利用充电器输出电压设定在4.2V左右，来达到第一层防护，这样就算电池组上的保护板失效，电池也不会被过充而发生危险。第二道防护是保护板上的过充防护功能，一般设定为4.3V。这样，保护板平常不必负责切断充电电流，只有当充电器电压异常偏高时，才需要动作。过电流防护则是由保护板及限流片来负责，这也是两道防护，防止过电流及外部短路。由于过放电只会发生在电子产品被使用的过程。因此，一般设计是由该电子产品的线路板来提供第一到防护，电池组上的保护板则提供第二道防护。当电子产品侦测到供电电压低于3.0V时，应该自动关机。如果该产品设计时未设计这项功能，则保护板会在电压低到2.4V时，关闭放电回路。总之，电池系统设计时，必须对过充、过放、与过电流分别提供两道电子防护。其中保护板是第二道防护。把保护板拿掉后充电，如果电池会爆炸就代表设计不良。上述方法虽然提供了两道防护，但是由于消费者在充电器坏掉后，常会买非原厂充电器来充电，而充电器业者，基于成本考虑，常将充电控制器拿掉，来降低成本。结果，劣币驱逐良币，市面上出现了许多劣质充电器。这使得过充防护失去了第一道也是最重要的一道防线。而过充又是造成电池爆炸的最重要因素，因此，劣质充电器可以称得上是电池爆炸事件的元凶。当然，并非所有的电池系统都采用如上图的方案。在有些情况下，电池组内也会有充电控制器的设计。例如：许多笔记型计算机的外加电池棒，就有充电控制器。这是因为笔记型计算机一般都将充电控制器做在计算机内，只给消费者一个适配器。因此，笔记型计算机的外加电池组，就必须有一个充电控制器，才能确保外加电池组在使用适配器充电时的安全。另外，使用汽车点烟器充电的产品，有时也会将充电控制器做在电池组内。最后的防线如果电子的防护措施都失败了，最后的一道防线，就要由电芯来提供了。电芯的安全层级，可依据电芯能否通过外部短路和过充来大略区分等级。由于，电池爆炸前，如果内部有锂原子堆积在材料表面，爆炸威力会更大。而且，过充的防护常因消费者使用劣质充电器而只剩一道防线，因此，电芯抗过充能力比抗外部短路的能力更重要。铝壳电芯与钢壳电芯安全性比较铝壳相对于钢壳具有很高的安全优势。（来源：锂电前沿）
来源：锂电前沿
动力电池梯次利用该规范化管理了
近日，《新能源汽车动力蓄电池梯次利用管理办法（征求意见稿）》（以下简称《意见稿》）对外发布，向全社会征求意见。被业界关注多年的动力电池梯次利用，终于获得政策层面的重视和支持。伴随着新能源汽车市场的迅速发展，退役电池系统的梯次利用一直是业内外关注的焦点。梯次利用不仅能更好地发挥动力电池的再利用价值，有助于节省资源、环境保护，而且在降低新能源汽车成本等方面具有积极促进作用。但是，在过去的试点探索过程中，梯次利用一直处于“看上去很美”却实施不易的状态，实际操作中还存在不少漏洞，让黑回收点钻了空子，一定程度上扰乱了动力电池市场的有序发展。此次《意见稿》在诸多方面做出明确规定，如能有效落地，动力电池梯次利用有望逐步规范化。在源头上，《意见稿》强调，梯次利用企业应履行主体责任，遵循全生命周期理念，落实生产者责任延伸制度，保障本企业生产的梯次产品质量，以及报废后的规范回收和环保处置。可以看出，《意见稿》并不是仅仅要求动力电池生产厂家或车企承担生产者延伸责任，而是把梯次利用企业纳入其中，这能够在一定程度上防范动力电池退役后无人监管的状态，让梯次利用有迹可循、有据可查，确保梯次利用产品的质量，防止不良产品流向市场。同时，《意见稿》鼓励梯次利用企业研发生产适用于基站备电、储能、充换电等领域的梯次产品，要求不得开发充电宝、手持照明设备等不易回收的梯次产品。这不但可以在一定程度上提升梯次产品的安全性，也使梯次产品更环保，防止二次污染。不过，虽然《意见稿》在不少方面堵漏补缺，但是仍然存在一些有待完善的内容。比如，要求梯次利用企业从事废旧动力蓄电池梯次利用活动时，应依据国家有关法规要求，与新能源汽车、动力蓄电池生产企业协调、解决知识产权有关问题。这一要求本身并没有问题，可以有效防止出现知识产权纠纷，但在实施层面却有很大难度。在现实中，整车企业和动力电池企业一般不会向梯次利用企业提供相关信息，从知识产权的授权到核心技术的保密等诸多环节，都存在重重关卡。因此，仅靠《意见稿》这一条款，很难让知识产权问题得到解决，至少还需要明确相关技术产品的授权、保密等相关问题。这也意味着，《意见稿》还需要配套措施予以落地。《意见稿》还要求，梯次产品所有人应将报废的梯次产品，移交给梯次利用企业建立的回收服务网点或再生利用企业进行规范处理，不得随意丢弃或处置。这一规定过于笼统，缺乏可操作性。已经实施一年多的《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》早就规定，梯次利用企业作为梯次利用产品生产者，要承担其产生的废旧动力蓄电池的回收责任，确保规范移交和处置。但在实际应用中，退役动力电池流失的问题依然比较严重。如果《意见稿》还只有类似泛泛的规定，没有严格的监管、约束和惩罚条款，很难杜绝同样的问题，因此需要出台更具执行力的配套措施或细则，让规定能落到实处和细处。退役动力电池的梯次利用具有广阔的发展前景和价值，而行业目前还处于起步的初级阶段，《意见稿》也是在此前局部试点的基础上推出。未来，关于退役动力电池的梯次利用还需进一步探索，管理办法的制定也需要各方群策群力、凝聚智慧，使相关条款更完善，以促进行业健康可持续发展。可以说，动力电池的梯次利用才刚刚上路，无论是行业发展还是相关管理政策、标准的制定等，都需要不断规范。
来源：中国汽车报
关于召开全国铅酸蓄电池标委会标准研讨会的通知
全国铅酸蓄电池标准化技术委员会全蓄标 [ 2020 ] 第62 号关于召开全国铅酸蓄电池标委会标准研讨会的通知各位委员及有关单位：根据国家标准化管理委员会关于下达2020年推荐性国家标准计划（修订）的通知（国标发[2020]6号）及工业和信息化部2019年第三批行业标准制修订计划（工信厅科函[2019]245号）的要求。全国铅酸蓄电池标委会秘书处经研究决定于2020年11月11日在江苏宿迁召开标准研讨会，本次会议研讨重点是：首次制定覆盖各类“光伏蓄电池”（含铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢蓄电池等）在储能领域应用的国家标准，建立独立于其它蓄电池之外的“胶体铅酸蓄电池”新的标准体系，同时修订“微型阀控式铅酸蓄电池”和“煤矿防爆特殊型电源装置用铅酸蓄电池”部颁标准，为进一步提高其技术水平，打下坚实基础，完成标准更新换代工作。为圆满完成此次工作计划目标，请有关单位安排人员参加此次会议，现将有关会议事宜通知如下： 序号标准名称计划号标准类型制、修订1微型阀控式铅酸蓄电池2019-1475T-JBJB/T修订2储能用铅酸蓄电池 第1部分 光伏离网应用技术条件20200628-T-604GB/T修订3胶体铅酸蓄电池 技术条件2019-1473T-JBJB/T制定4煤矿防爆特殊型电源装置用铅酸蓄电池2019-1474T-JBJB/T修订 一、会议日期 1、报到日期：2020年11月10日,10:00—22:00。 2、会议日期：2020年11月11日全天。二、会议地点及联系方式宾馆名称：宿迁运河金陵大饭店地 址：宿迁 宿豫区 女贞路99号。三、前往方式宿迁高铁站：打车抵达酒店预计50元；20min。四、会议安排 1、领导讲话；2、研讨；JB/TXXXX-XXXX《微型阀控式铅酸蓄电池》GB/TXXXX-XXXX《储能用铅酸蓄电池 第1部分 光伏离网应用技术条件》JB/TXXXX-XXXX《胶体铅酸蓄电池 技术条件》JB/TXXXX-XXXX《煤矿防爆特殊型电源装置用铅酸蓄电池》3、落实年会工作相关内容五、其它事宜1、参会代表每人需交会务费1100元（提示：由于国家限制不能扫码缴纳，准备现金）。统一安排食宿，费用自理2、会议承办单位：旭派电源有限公司。3、会议承办单位联系人：戴德兵 157510688334、详细会议安排请咨询秘书处，联系人：邓继东13889351969，付冰冰13940269968。 二0 二0年十月二十三日 附件1 温馨提示：请参加会议代表务必回执，或电话告之秘书处，以便及时为您提供更好的会议服务。2020年宿迁标准研讨会回执 联系电话：024-25326112 邮箱：xdcbzh@vip.163.com、46072099@qq.com 参 会 回 执 姓 名单位名称税号手机号码邮 箱大床房标准间 温馨提示：请参加会议代表务必回执，以免影响会议用房间的预定。
来源：沈阳蓄电池研究所标准化办公室
LG化学计划圆柱电池产能扩充两倍
外媒消息，LG化学表示，计划将特斯拉等公司使用的圆柱电池的产能提高两倍，并考虑在欧洲和北美扩张，以满足激增的需求。LG化学还表示，目前正在开发“新型”圆柱电池，该电池的容量将提高5倍，功率提高6倍，但没有详细说明。有趣的是，这与特斯拉上个月宣布的新电池4680电池的目标相似，该电池可以使特斯拉汽车的续航里程增加16%。目前LG化学和CATL为特斯拉在中国制造的Model 3提供电池。LG化学与特斯拉的往来显得愈加频繁。上个月，特斯拉正在寻求收购LG能源解决方案（LG Energy Solution）10%的股份，后者是LG化学正计划分拆的电池业务。LG化学并没有提出计划将圆柱电池产量增加的具体时间。但可以看出，其研发的“新型”圆柱电池很可能在未来流向特斯拉。近日LG化学CEO辛学喆表示，公司正与几家汽车制造商洽谈成立合资企业以生产电动车电池。不过他补充到，特斯拉并不是他们进行合资谈判的企业。由于电动汽车电池需求不断增长，LG化学第三季度业绩出现增长。前三季，其销售额62.5亿美元（约合人民币417亿元），环比增长8.2%，同比增长8.8%；营业利润为7.5亿美元（约合人民币50亿元），环比上季度增长57.8%，同比增加158.7%。其中电池业务Q3销售额为26.2亿美元（约合人民币175亿元），营业利润为1.4亿美元（约合人民币9.3亿元）。资料显示，业绩增长主要获益于欧洲主要客户推出新款电动车，圆柱型电池销量的增加，以及IT产品供应扩大等。LG化学表示：“由于电动汽车圆柱电池出货量的增加，预计销量将持续增长。”目前LG化学的动力电池总产能达到130Gwh。LG化学计划到2023年产量将扩大至260 GWh，这足以为约500万辆电动汽车配备电池。数据显示，2022年全球动力电池规划产能将增加至621GWh，未来三年增幅将达5倍以上。随着未来动力电池需求量的激增，为抢占份额，LG化学扩产之举显得势在必行。然而产能版图扩张的同时，LG化学却陷入电池安全质量危机，这将给其动力电池业务扩张产生诸多阻碍和挑战。
来源：高工锂电
欧洲2030年电池计划
《电池2030+（BATTERY2030+）》是一项大规模的欧洲长期研究计划，为欧盟委员会提出的战略能源技术计划（SET-plan）的想法之一，旨在联合欧洲整体解决未来电池研发过程中所面临的各项挑战，克服重重阻力达成宏大的既定的电池性能目标。研究内容以“化学中性途径（chemistry neutral approach）”为导向，基于现有或未来多种不同类型的电池化学物质，通过缩小各自之间的差距来发挥其全部潜力以实现电池的实际能力和理论极限。理念上基于给欧洲电池企业乃至全球电池企业的价值链提供新的发展和支持，比如从原材料到先进材料的发展，到电池和电池包的设计制造，电池寿命终止后的回收利用和电池实际应用场景等。除此之外，《电池2030+》的长期发展路线图也充分地弥补了欧洲电池内部的中期研究和创新工作–欧洲技术和创新平台（ETIP）。因此，欧盟希望借助于《电池2030+》来推动欧洲为期10年的大规模努力以促进电池领域的变革性发展。不断提出新的研究方法和开拓新的创新领域，实现安全的超高性能电池开发，最终实现欧洲社会2050年前不再使用化石能源（如图1所示）。2019年3月，欧盟启动《电池2030+》协调和支持行动，以确定计划的研发路线图。本次发布的《电池2030+》研发路线图第二版草案经讨论修改后，将于2020年2月底提交给欧盟委员会。图1. 《电池2030+》的长期愿景及使命Part II:“电池2030+”计划目标《电池2030+》的总体目标是实现具有超高性能和智能化的可持续电池功能以适用于每个应用场景。所谓超高性能，是指能量和功率密度接近理论极限，出色的使用寿命和可靠性，增强安全性，环境可持续性和可扩展性，以实现具有竞争力成本的大规模化生产电池。第一个重要挑战是达到最好的电池性能，因此发现新材料和新化学体系的开发过程必须加快。《电池2030+》提出电池界面基因组（BIG）–材料加速平台（MAP）计划，将采用人工智能（AI）大幅减少电池材料的开发周期。第二个重要挑战是延长单体电池和电池系统的使用寿命和安全性。寿命和安全都对未来电池的大小，成本和接受度具有关键性影响。为了实现第二个挑战，《电池2030+》提出了两种不同且互补的建议方案：开发直接在化学和电化学反应中可探测的传感器，将新型传感器嵌入电池中连续监控其“健康”和“安全状态”。另一方面，通过使用自愈合功能来提高电池容量并提高电池性能。与目前最先进的电池技术相比，《电池2030+》旨在提出并影响电池技术的未来发展（如图2）：第一，将电池实际性能（能量密度和功率密度）和理论性能之间的差距减少至少1/2。第二，至少将电池的耐用性和可靠性提高3倍。第三，对于给定的电力组合，将电池的生命周期碳足迹减少至少1/5。第四，使电池的回收率达到至少75％，并实现关键的原材料回收率接近100％。图2.《电池2030+》对未来电化学存储系统的最新技术展望Part III:“电池2030+”主要研发方向3.1 材料加速平台（Materials Acceleration Platform，MAP）从能源技术的生产，存储到最终交付使用，材料的发现和开发始终贯穿于整个过程。特别对于新兴的电池技术，先进材料几乎是所有清洁能源创新的基础。若依靠现有的传统重复性试验开发过程，需要耗费大量的时间，人力物力去开发新型高性能电池材料并用于电池设计，这一过程从最初发现到完全实现商业化可能长达10年之久。因此，在《电池2030+》项目中，为了加速超高性能的，可持续发展的智能型电池开发，计划在欧洲范围内设立电池“材料加速平台（MAP）”，并与电池界面基因组（BatteryInterface Genome，BIG）集成在一起。同时BIG-MAP基础设施模块化设置，全系统具有高度的通用性，以便能够容纳所有新兴的电池化学体系，材料成分，结构和界面。另一方面，MAP将利用人工智能（AI）从许多互补的方法和技术中集成和编排数据，整合计算材料设计，模块化和自主性综合机器人技术和先进表征，实现全新的电池开发策略。促进材料，工艺和设备的逆向设计和定制。最终，在MAP框架下由每个核心元素构建概念电池，开发出具有突破性的电池材料，极大提高电池开发速度和电池性能。图3. 电池材料加速平台（MAP）的核心组成部分（一）MAP重点研发技术a. 高通量技术：开发自主材料合成机器人，构建电池材料自身及使用过程中原位的自动化高通量表征。实现电极活性材料及其组合方式的快速筛选和电解液配方的系统表征。基于高通量数据的建模和数据生成相结合，以物理参数为导向对电池及其活性材料进行分析和表征。b. 建立基于分布式访问模型的跨区域通用数据基础架构，实现多维度互连和集成工作流程：确保在材料的闭环研发过程中，能够实时进行跨区域的实验数据集成和建模。通过数据的共享实现信息的汇总及规模化分析。以机器学习和物理理论为导向的数据驱动模型去识别材料开发过程中重要的参数和特征，开发有效的和稳固的方式耦合和连接不同维度的模型，加速材料开发过程。c. 开发基于电池系统的人工智能（AI），构建统一数据框架：基于AI技术开发集成物理参数和数据驱动的混合型模型。比如目前已有一些AI软件包如ChemOS和phoenix正在用于自驱动实验室的原型开发阶段。利用欧洲材料建模委员会（EMMC）和欧洲材料与建模本体（EMMO）支持的访问协议，将学术界和工业界、材料建模和实际应用工程联系起来，实现电池整体价值链的数据标准化传递及共享。d. 电池材料和界面的逆向设计工程：通过所需的目标性能定义电池材料和/或界面的组成和结构，从而打破传统的开发过程，促进材料的高效高速开发。（二）MAP研发计划短期计划：开发用于电池材料和电池本身的共享且可互操作的数据基础架构接口，涵盖电池发现和开发周期所有领域的数据；自动化的工作流程，用于识别在不同时间尺度下传递相关特征/参数；构建基于不确定性的电池材料的数据驱动和物理模型。中期计划：在材料加速平台（MAP）中实现电池基因组（BIG-MAP）构建，能够集成计算建模，自主合成机器人技术和材料表征；展示电池材料的逆设计过程；在发现和预测过程中直接集成来自嵌入式传感器的数据，例如主动的自我愈合。长期计划：在电池基因组平台中建立完全的自主开发过程；集成电池单元组装和设备级测试；包含材料发现过程中的可制造性和可回收性；展示材料开发周期的5倍加速；实施并验证用于电池超高通量测试的数字技术。3.2 电池界面基因组（Battery interface genome，BIG）电池不仅包含电极和电解质之间的界面，而且还包含其他大量重要的界面，例如：在集流体和电极之间或在活性材料和诸如导电碳和/或粘结剂等的添加剂之间。因此在开发新的电池化学体系或现有电池技术中引入新的化学物质时，界面是有效利用电池电极材料关键之所在。MAP是提供基础设施以加快材料的发现，而《电池2030+》提出BIG将对材料开发过程提供必要的理解和模型，以预测和控制影响电池性能关键界面的动态变化（如图4所示）。BIG将高度适应不同的化学物质，从材料到设计，用大量数据构建模型，形成全新的材料开发途径，以超越当前的锂离子电池技术。图4. 电池界面基因组（BIG）运作流程（一）BIG重点研发技术a. 开发更高的空间、时间分辨率和运算速度的新型计算方法和实验技术：以获得超高性能电池系统构造和材料组合搭配的新理解。通过基于物理的数据驱动混合模型和仿真技术描述最先进的实验和技术方法。b. 开发具有高还原度的电池界面表征技术：通过对电池界面及其动态特性的精确表征，建立电池界面属性的大型共享数据库，利用大数据再对表征技术进行优化调整，不断修正测试偏差，真实还原界面工作过程，提高保真度。c. 建立电池及其材料的标准化测试协议：发布详细的材料表征检查列表，通过将电池性能与材料化学性质逐一比对来获取有关电池界面的关键信息。d. 构建更精确的材料结构与电池性能模型：利用电子，原子及介观材料尺度模型耦合形成连续相模型，真实反映电池正常工作时的界面状态、老化和衰减机制。（二）BIG研发计划短期计划：建立一定范围内表征/测试协议和数据的电池界面标准；开发可利用AI和仿真模拟技术进行动态特征分析和数据测试的自主模块；开发可互操作的高通量和高保真的界面表征方法。中期计划：开发预测混合模型，用于在时间和空间尺度上推演电池界面；演示模型电池间逆向合成设计；能够在MAP平台（BIG-MAP）中实现电池界面基因组计算建模，自主综合机器人技术和材料的集成表征。长期计划：在BIG-MAP平台中建立完全的自主开发过程；证明界面性能提高5倍；表明电池界面基因组到新型电池化学的可移植性。3.3 智能传感器（Integration of smart functionalities–sensing）随着目前对电池应用的依赖性不断提高，要求对电池的状态进行准确监控，提高其质量，可靠性和使用寿命。在过去几十年中，虽然许多电化学阻抗设备（EIS）以及先进的电池管理系统（BMS）发展，但成效有限。无论电池技术发展如何，性能仍取决于电池单元内界面的性质和依赖于温度驱动的反应以及不可预测的动力学。虽然监控温度对于延长循环寿命和延长电池寿命至关重要，但在目前电动汽车的应用中也无法直接测量单体电池的温度。为了更好了解/监测电池工作过程中的物理参数对电化学反应过程的影响，有效解决黑箱问题。《电池2030+》提出将智能传感器嵌入到电池中，能够实现电池在空间和时间上的分辨监视（如图5所示）。这样可以整合和开发各种传感技术在电池中以实时传递信息（如温度，压力，应变，电解质成分，电极膨胀度，热流变化等）。最重要的是依据大量的原位实时监测数据，可以与BIG-MAP协作构建电池工作状态函数及模型，开发智能的响应式电池管理系统。将在单体电池级别和整个系统级别上进行分层管理。图5. 未来具有原位传感及输出分析装置的电池（一）智能传感器重点研发技术a. 集成和开发适用于电池的多种传感器，将智能功能嵌入电池：光学、电学、热学、声学和电化学传感器用于设计/开发固态电解质（SEI）中间相动态监测功能。比如利用电阻温度检测器（RTD），热敏电阻，热电偶等温度传感器监控电池内外的局部及整体温度变化。电化学传感器主要用于监控电池界面SEI增长，氧化还原穿梭物质和重金属溶解。压力传感器可以检测电极应变和压力变化，从而反应电池的SoC以及SoH状态。光学传感器则可以对电池局部温度，压力和应变通过光学信号同时感应，其中光子晶体纤维传感器可以对多感应信号同时采集但又解耦合分析，是未来发展多参数监测新型传感器的趋势。b. 开发具有创新化学涂层的传感器：采用特殊涂层的传感器，减缓电解液及电化学反应副产物对传感器的腐蚀，提升器件稳定性，传导灵敏性和使用寿命。将传感器尺寸减小到几微米以匹配电池隔离膜的厚度，采用无线传感技术来避免复杂的连接布线问题（二）智能传感器研发计划短期计划：在电池单元级别上，依靠各种传感技术和简单的集成开发非侵入式多传感方法，为评估电池内界面动力学，电解质降解，树枝状生长，金属溶解，材料结构变化的相关性提供可行性。监测电池运行期间关键参数的正常或者异常行为，并定义从传感器到BMS的传递函数，通过运行实时传感将温度窗口提高>10％。中期计划：实现（电）化学稳定传感技术的微型化和集成，在电池层面和实际电池模块中均具有多功能，以经济有效的方式与工业制造过程兼容；利用传感数据实现高级BMS，构建新的自适应和预测控制算法；BIG-MAP中集成感应和自我愈合；多价电极系统的过电压降低>20％；将锂离子电池可利用电压窗口增加>10％。长期计划：依靠先进的BMS控制传感器的通信，新的AI协议通过无线方式实现完全可操作的智能电池组。在未来的电池设计中，将感测/监视与刺激引起的局部自愈合机制结合，从而可以通过集成感测-BMS-自愈合系统得到智能电池。3.4 自愈合理念（Integration of smartfunctionalities–self-healing）电池技术的可持续发展以及我们对电池普及应用的日益依赖，要求确保其具有很高的可靠性和安全性。其中探测或者传感不可逆变化是获得更好的可靠性第一步。但是，要真正确保可靠性，电池应该能够自动感知损坏，并恢复原始配置及其整体功能。那我们可以尝试模仿自然愈合机制（比如伤口愈合）来制造智能长寿命电池吗？《电池2030+》中借鉴医学领域中“再生工程”的理念，提出可以开发在电池内注入相应自愈合功能的材料，以恢复电极内部的缺陷。另一方面，提出将状态传感和自我愈合功能紧密相连（如图6所示）。从传感器检测到的信号将被发送到电池管理系统并进行分析，如果出现问题，BMS将发出信号发送给执行器以触发自我愈合过程的刺激。这种既自我感知又触发自修复的结合过程将赋予电池更高的安全性和消费者更高的使用可靠性。图6. 由BMS介导的电池工作-感应-自我修复协同耦合过程（一）自愈合理念重点研发技术a. 开发自愈合的电池材料以及电极界面：包裹CNT的自愈合微胶囊，用于修复电极导电网络。具有自愈合性的人工SEI结构活性材料，用于修复电极材料充放电过程中界面结构的破坏。b. 开发适用于电池组件和界面的自愈合聚合物策略：超分子聚合物在自愈合多相固体聚合物电解质中的应用。使用无毒的生物基材料（例如多糖类材料，蛋白质材料）设计薄而多孔的可控隔膜，开发功能化生物基电解质隔离膜，专门设计使其具有自愈合特性，通过控制电解液的分解从而改善电池老化。c. 构建复合电极：设计具有聚合物或矿物质外壳的微胶囊，使其包含能够通过外界刺激响应来释放愈合剂，或在受刺激破裂时将释放锂盐、钠盐等。利用特定高分子结构的设计（比如PAA-聚轮烷滑轮型聚合物）控制电极膨胀结构并优化电池循环的效率。（二）自愈合理念研发计划短期计划：在各种交叉领域发展具有自我愈合功能的电池。对隔膜进行功能化处理，并开发依靠氢键相同作用实现可逆交联的超分子结构，以愈合电极-隔离膜的膜破裂，同时与电池的目标化学性质兼容。中期计划：设计智能型隔离膜，具有可容纳多种功能有机-无机愈合剂的微胶囊，可通过磁性，热或化学作用触发自动愈合，同时确定与刺激驱动的自愈合操作相关的响应时间，以愈合与电极断裂或SEI中间相老化有关的故障。长期计划：设计和制造功能性和孔隙率可控的低成本生物基电解质隔膜。在电池感测和BMS之间建立有效的反馈回路，通过外部刺激适当触发已经植入电池的自我愈合功能。3.5 未来电池规模化制造（Manufacturability of future batterytechnologies）新一代突破性电池材料的面世将开启崭新的电池技术机会。但是，从广义上讲，这些新电池技术至少需要面对两个主要的验证阶段。首先，在原型级别上证明其性能潜力，其次，扩大规模化生产的可行性和进入工业化过程的评估。《电池2030+路线图》提出未来电池制造的解决策略：工业4.0和数字化的前景。利用建模和人工智能实现制造过程动态软件模拟，突破制造单元的空间构造，避免或基本减少经典的尝试和错误方法。通过全数字化制造，理解和优化过程参数及其对最终产品的影响。图7. 电池制造的数字化过程（一）未来电池规模化制造重点技术a. 设计过程数字化：引入新功能，如自愈合材料/界面、各类智能传感器或其他执行器、生态电池设计和替代电池设计，在电池制造过程中开发和验证多重物理量和多尺度模型，以更准确了解制造过程的每个步骤。b. 制造过程数字化：开发灵活的制造流程和高精度建模工具，以优化工艺、条件和机器参数，开发用于处理电极浆料，电极片生产，电池组装，电池包组装和电池性能的实时模型（即用于电池制造的数字化模型）。（二）未来电池规模化制造研发计划短期计划：从最先进的信息开始，重点放在是电池设计方法。改进模拟工具（如多物理场模型），通过深度学习和机器学习方法减轻计算负担，应用AI技术用于电池设计。中期计划：不断发展BIG平台，MAP平台，智能传感器技术，自愈合技术，回收策略和其他创新领域并将其整合到流程中；在电池级设计取得进展之后，将启动并实施基于AI制造方法，即建模> AI>制造（包括新技术的制造以及制造过程中的数字化模型）。规模也可扩大到电池制造过程中的技术，可扩展到电池化学成分开发，例如多价和有机的材料开发，或者其他电池体系，如液流电池。长期计划：将整个AI驱动的方法集成并整合在电池单元设计中，实现基于BIG-MAP的完全自主系统。利用这种方法促进学术界创新和工业界开发可商业化的最新电池技术。3.6 回收策略（Recyclability）《电池2030+》路线图将促进建立循环经济社会，减少浪费，减少二氧化碳排放量并更明智地使用战略资源作为长期愿景。因此，发展高效电池拆解和回收技术是保证欧盟到2030年时，电池经济长期且可持续性发展至关重要的保证。这就需要有针对性的开发新型，创新的，简单的，低成本的和高效率的回收流程，以保证电池全生命周期的低碳足迹和经济可行性。比如对活性材料采用直接方法回收，而不是经过多步骤的途径。采用直接修复或重新调节电极的方式即可使电池重新达到可工作的状态。基于此，《电池2030+》对材料层级，界面层级和单体电池层级都提出一些新的回收概念和整体流程：（1）整个生命周期可持续设计（包括生态设计和经济设计）；（2）电池及电池组拆解设计；（3）回收设计方法。这个过程需要研究者，电池生产企业，材料供应商协同参与，并与回收商一起将回收策略及相关限制条件整合到新的电池设计中。图8. 未来的电池回收过程：直接回收与再利用过程有机的整合（一）回收策略重点计划a. 电池组件及单体的重复可利用性：通过产品标签、电池管理系统、内置和外置传感器等相关数据的收集和分析，集成传感器和电极自愈合功能，用于识别损坏/老化的组件并为重复利用做准备。同时在电池设计中尽可能延长寿命，并考虑重新校准、翻新以及二次使用和多次使用的可行性。b. 引入现代低碳足迹物流概念：包括分散式处理，开发产品可追溯性，特别是整个电池生命周期中关键原材料的可追溯性。以及开发对有价值关键材料的高效、低成本和可持续的一步回收处理策略，并将其“翻新”为电池可用活性材料，如果不能完全逆转，则通过调整组成来合成活性材料前驱体或相关原材料。c. 自动化及选择性回收：采用AI辅助技术及设备，实现电池自动分拣和评估，自动将电池组拆解到单体电池级别，自动拆解电池至最大的单个组件级别。同时借助于大数据技术分析并寻求适用于所有电池及电池组的通用拆解过程，确保即使是像锂金属固态电池，锂金属-空气电池等新型电池，也能最大程度地回收电池组件及其关键性组成材料。（二）回收策略研发计划短期计划：实现电池系统可持续的发展和拆解，开发数据收集和分析系统，用于电池组/模块分拣和重复利用/再利用的技术，并开始开发自动化拆解电池。并用于快速电池表征的新测试。中期计划：开发自动将电池分解成单个组件的方法，以及粉末及其成分的分类和回收，将其“翻新”为先进的新型电池活性材料的技术。在电池中测试回收的材料。将开发二次应用中材料再利用的预测和建模工具。显著提高关键原材料的回收率（比如石墨，正极材料）并明显改善对能源和资源的消耗。长期计划：开发和验证完整的直接回收系统；系统在经济上可行，安全且对环境友好，并且比目前的流程更低的碳排放量足迹。Part IV:其他各国家路线图发展规划除了欧洲的SET-PLAN计划外，目前只有少数几个国家有明确路线图并为之长期努力。在这里，简短介绍来自中国，印度，日本和美国的电池路线图，以更广阔的视野来看待2030+电池的目标。4.1 中国发展规划：中国现在是全球发表电池研究论文最多的国家。但同时在工业界也定义了两个并行的研究和创新战略：进化战略和创新战略。进化战略专注于优化现有搭载新能源电池的车辆和能源动力总成系统，包括电池性能的提升（高安全，快速充电，低耗电量等）。而革命性战略的目标是开发下一代电池化学体系用于车辆动力总成系统。如图9所示，可以比较2015年至2035年中国的电池发展目标与日本新能源产业的技术综合开发机构（NEDO）的RISING计划目标，以及美国能源部（DOE）的Battery 500计划。图9. 中国2013年至2030年的国家新能源项目和战略目标4.2 印度发展规划：印度最近也为汽车制造行业发布了路线图，其中电池研发和制造被认为具有很高的战略意义。但路线图中并未展示达到目标需要何种关键性技术，只是明确表达了电池的重要性。4.3 日本发展规划：日本在某些关键领域一直有制定长期稳定研究计划的传统，电池就是其中之一。日本新能源产业的技术综合开发机构（NEDO）的RISING-2项目就是一项长期的大规模计划，始于2010年，计划于2022年结束。它定义了两个关键的电池性能目标（如图10所示），其中对于纯电动汽车，在2020年动力电池系统能量密度需达到250Wh/kg，2030年达到500Wh/kg。而对于插电混合动力汽车，在2020年动力电池系统能量密度需达到200Wh/kg。这是唯一可以尝试与《电池2030+》提出目标相比较的国际研发计划。图10. 日本NEDO的2020年和2030年电池性能目标4.4 美国发展规划：美国能源部（DOE）于2016年主导了Battery 500项目，其联合了六所大学，四个国家实验室和IBM的科研实力。其总体目标是开发锂金属电池，相比目前电动汽车用电池组能量密度170-200Wh/Kg，使电池组能量密度达到500Wh/Kg。而且Battery 500将致力于开发体积更小，重量更轻，更便宜的电动汽车电池。
来源：鑫椤锂电
又有利好！国家级大基金将支持动力电池发展
动力电池有望得到国家级大基金的支持。近日，工信部在关于政协十三届全国委员会第三次会议第0725号（工交邮电类104号）提案答复的函中表示，工信部将积极引导国家制造业转型升级基金对动力电池领域符合国家战略、具有优势的重点项目和骨干企业给予关注和支持。此前，国家制造业转型升级基金曾宣布拟投资华中数控、埃斯顿、徐工。该基金尚未投资过动力电池领域的项目。国家级大基金有望助力动力电池发展工信部设立的国家制造业转型升级基金于2019年11月18日成立，注册资本1472亿元。工信部主管部门介绍说，基金按照所有权和管理权分离的原则，建立了符合市场规律的公司治理制度和运行机制，具体运营管理由专业基金管理公司负责，实行市场化运作、专业化管理，以市场化手段破解制造业融资难题，重点投向相关领域成长期和成熟期企业。公开资料显示，国家制造业转型升级基金的股东数量达20家。除了财政部、国开金融、中国烟草等中央部委、国有大中型企业以外，还包括保险公司、国资平台等。A股中，除了中国中车以外，还有上海电气集团（A股公司上海电气大股东）、宇通集团（A股公司宇通客车大股东）、东旭集团（A股公司东旭光电大股东）等参与。发展改革委和财政部也将予以支持工信部还在提案复文中介绍说，发展改革委发起成立了先进制造产业投资基金，重点投向新能源汽车等领域，支持了动力电池、电机、装备等一批先进制造业骨干企业，该基金二期已设立运行。下一步，发展改革委将继续在动力电池领域加大支持力度，推动新能源汽车产业高质量发展。财政部鼓励由社会资本和产业发起设立相关基金，按照市场化原则对动力电池产业予以支持。动力电池行业已进入发展关键期为什么动力电池行业能得到国家级大基金的支持？业内人士认为原因在于今年是全球汽车产业转型升级和加快变革的关键之年，需要大资金予以支持。首先，我国的电池企业“走出去”的力度不理想。商务部外贸发展事务局局长吴政平近日表示，虽然近几年我国有一些产业链企业开始积极布局海外，但与新能源汽车产业链总量相比，“走出去”的广度和深度还远远不够。“尤其是动力电池生产企业，海外装机量在总的出货量中的占比还很低。”其次，外资电池企业已经逐步参与到了中国市场的竞争。中国化学与物理电源行业协会秘书长刘彦龙介绍说，“去年1-9月，LG化学、松下电池等外资企业在中国动力电池市场的份额仅为0.35%，而今年1-9月，LG化学、松下电池等外资企业在中国市场的份额已经高达15%，市场竞争更加激烈。”第三，外资汽车巨头正在进军动力电池领域，为行业带来新变局。5月28日，大众中国与国轩高科签署《股份转让协议》，正式入股国轩高科。7月2日，戴姆勒大中华投资 9.045亿元参与孚能科技的科创板IPO战略配售，获得约3%的股份。全产业链投资价值凸显在这样的背景下，用市场化的手段推动我国电池技术创新突破正当其时。东吴基金常务副总裁、公司投资决策委员会主席陈军接受上海证券报采访表示，“根据我们的调研，按照中国目前的制造能力已能够为全球的客户提供优质、安全同时高性价比的整车或者核心零部件。相关的龙头企业也已经在设备、技术和市场上有了相当的投入。”陈军表示，“此次国家大基金用市场化的手段支持和鼓励优质动力电池企业发展，将促进新能源汽车产业加速发展，为全球缓解代传统能源紧张，减少污染排放助一臂之力。相关的龙头企业，乃至整个产业链将具有长期投资价值。”海通证券认为，未来新能源汽车替代传统燃油车大势所趋。新能源汽车单车价值增量最大的环节为动力电池。未来三元动力电池将配套高端乘用车型，磷酸铁锂电池配套低端车型，随着电池行业的发展，有国际竞争力的材料公司将受益。
来源：上海证券报
