​比克电池陈辉：锂离子电池安全与性能的天平如何校准？

6月12-14日，为期三天的“2019全球新经济年会”在上海长宁世贸展馆顺利举办。本次大会由上海市经济和信息化委员会、上海市商务委员会、上海市长宁区人民政府指导，上海市长宁区青年联合会、亿欧公司联合主办。大会以“科创引领智能新时代”为主题，聚焦科创板、5G、智能制造等新兴产业创新热点。

新能源汽车产业峰会作为此次大会其中一个分会场，受到广泛关注。大会现场，来自北汽新能源汽车股份有限公司、广汽蔚来、威马汽车、蔚来、博世中国、比克动力电池、大陆集团、车主邦能源、奥动新能源、普天新能源、电动生活在内的十余名大咖嘉宾带来了精彩分享，就整车制造、三电系统、基础设施、出行服务、氢燃料等方面展开了激烈讨论，对未来新能源汽车发展机遇给出了真知灼见。

其中，深圳市比克动力电池有限公司平台研究院副院长陈辉带来了以“锂离子电池安全与性能的天平如何校准？”为主题的演讲，其主要观点如下：

1.从目前时间节点看，很长一段时间内，现代锂电池仍然是未来新能源汽车技术发展的主流，目前还看不到有被挑战的希望；

2.下一代纯固态电池和燃料电池可能在未来占领主要位置。尤其是燃料电池，在政策层面已经得到了引导和推进；

3.安全是温饱，成本是小康，性能是富裕。一定要先解决温饱然后才能更加小康和富裕。

以下是其演讲实录：

很高兴亿欧组织这个会议，比克有机会站在这里跟大家分享一下比克电池做的一些工作以及对锂电池的一些理解和探讨。今天我将从两方面展开我的演讲，第一方面是把比克电池介绍给大家，比克电池成立于1999年，到现在有近20年的时间。在这20年中我们锲而不舍一直坚持对锂离子电池的研发销售生产领域，目前形成了三大主流业务板块：第一块是生活数码业务，主要面向手机、移动电源等终端消费市场；第二块业务是新能源汽车业务，比克电池从07年开始涉足这个行业，从那时到现在，我们经历了新能源汽车从无到有，以及从有到现在欣欣向荣的过程，我们是其中最核心的参与者；第三块业务是最近几年高速发展，未来面向市场的，非常具有潜力的储能业务。

这是最近三年来比克电池在新能源汽车市场取得的成绩，2016年在三元动力电池占约30%，比克电池装载新能源汽车超过5万辆。2017年，累计装载新能源汽车11万辆，三元圆柱动力电池排名全国第一。2018年圆柱动力电池仍然是全国第一。

我们公司高度重视研发，统计数据显示，研发投入占累计销售收入8%左右。目前在职研发技术工程人员大概在1500人左右，目前专利申请大概在1400多例，实际授权有600多，在安全领域目前国内最早也是唯一一家解决圆柱单体电池定向热失控的技术，并且结合我们的模组技术已经在整车层面做到了解决热失控安全问题，我稍后会给大家做更详细的介绍。

首先，让我们讲一下锂离子电池，从电池角度怎样去理解电池安全以及安全与性能平衡的关系。汽车的全面电动化已成为全球共识。从国家层面来讲，不同国家在不同的时间节点推出了自己的时间表。从企业层面来讲，国际国内Tier1，现在国产车企都在积极拥抱汽车电动化并做了很多布局。

如果共识变成现实，作为工程技术人员来讲有两方面工作最为关键：一方面是对新能源汽车动力电池技术方向的选择，以及在此基础上怎样去解决现在面临的技术的难题或者问题。新能源汽车动力电池，可选择的方向很多，一百多年前第一辆汽车就是电动的，但电池技术不成熟，没有实现产业化，那时候是铅酸电池，包括丰田推出的镍氢电池车。现在新能源行业用的最多的是锂电池。从目前时间节点看，现代锂电池仍然是未来很长一段时间的主流，目前还看不到有被挑战的希望。下一代纯固态电池和燃料电池也可能在未来占领主要位置。尤其是燃料电池，在政策层面得到了引导和推进。锂离子电池作为目前用的最多的技术路线，问题较为突出。真正到量产规模化的在250、260这样的水平。同时还存在成本的问题，尤其是补贴退坡后问题更加突出。另一个问题是快充能力同实际终端用户在窗口运行的矛盾。最为核心的是安全问题，现在所有矛盾里面最难解决，也是最棘手的问题。安全是非常复杂的系统，涉及方方面面，跟能量密度、循环、快充、成本等都是复杂混合的系统，这里面的环节相当复杂。

简单把安全和成本、密度、性能之间的关系分享一下。我们认为安全是温饱，成本是小康，性能是富裕。按照马斯洛需求分析理论，温饱就是要具有基本性能，安全就属于这样的特性。小康就是让客户更加有幸福感，更加满意，成本就属于这样的质量特性。另外像高低温特性，能给客户带来更加满意的质量特性指标。显然安全是所有在做产品开发的过程中，最基本也是最重要的底层的底线。有了温饱才可能去更小康，更富裕。但现在看到的有些产品，大家在没有解决温饱的基础上，就奔着小康，奔着富裕去了。甚至有些产品，放弃温饱直接奔小康和富裕去了，这是有待商榷。

下面讲下锂离子电池的安全问题，锂电池为什么会有安全问题，锂电池是储存能量的装置，能量分为两个部分：一是可逆的进行转换，在充放两端可逆的进行。二是本身的能耗，在发生氧化反应时能够释放热量。电池在正常工况情况下，电池充放电或者能量转换的速度是可控的，但是能量是以电的形式，如果发生短路，释放速度非常快，如果释放能量的速度不可控，就会导致热量大量积聚，达到不可控的时候会发生爆炸起火，这是锂电池为什么会有安全事故的根源。

这是全世界现在大家比较公认的两个图，一个是热失控的过程，电池里的元素怎么发生热失控的。首先要有引发因素，有一个触发机制，经历触发机制有几个阶段，一个是负极材料本身分极，负极材料产生热量，反过来正向激励，导致整个能量释放不可控，电池爆炸起火。这是从影响安全因素方面去考虑，锂电池的安全从主、被动两个角度去考虑。一个是主动防范，不让它安全热失控的发生。另外如果发生安全热失控以后有什么措施，释放速度以及释放带来的危害。一个是原材料的选择，希望选择安全等级越高，或者释放能量越少的材料来做电池。从电池设计角度来讲也是两部分：一个是结构安全，怎么避免发生安全事故，如果发生之后怎么去避免。

现在行业已经发生的安全事故绝大部分原因是因为电池缺陷造成的，电池生产的控制是制程能力。模组系统做了一些安全事故发生之后的处理。这是BMS、电池包，整车层面。刚才提到安全是个系统，不仅是材料，也是电池系统材料到整个电池包，电池的使用，是大系统的工程。

这是比克做的一些工作，从原材料到电池包、模组，BAK圆柱电池目前在安全上实现了全面突破，这个电池是1+6的形式，一个电池背六个电池包，引爆中间的电池看看它的热量能不能扩散到周围的电池，测试下来完全没有问题。这是我们在实际电池包里面做的测试，我们在电池包里面随机选了28个电池一次引爆，看看电池引爆之后对整个热系统，对整个车影响的评估，目前结果非常理想。这个电池是引爆的电池，周围的电池是1+6的结构，红色的线是引爆电池温度曲线，下面低的曲线是六个电池，除了引爆电池都很高之外，其他周围的电池是很低的。电池包任何一个电池发生热失控的情况下，电池仍然是完好，发挥作用。任何一个单体电池发生热失控，电池包仍然电压是正常的。在整车里面，其中任何一个电池发生了安全事故之后，整车不仅不会燃烧，反而整车还可以继续运行，只需要驾驶者接到警报之后开到4S店维修就好。

下面我将从电池性能角度与安全之间的相互关系再做一个简单介绍。首先，高能量密度大家非常关心。高能量密度方向有两个点，一是选一些新的材料，现在比较多的是高镍+硅材料，另外在有限空间里面提供更多的材料，在有限空间里面装更多的能量。高镍+硅材料的引用，新能源车从最早镍含量3，到后来的6，到现在的8，材料本身热能量下降。这对电池的设计，尤其是要经过安全设计挑战很大，这也是为什么高镍产量在大方形电池里面比较少，就是安全的问题很难解决。这是负极另外高能量密度材料，是硅材料，特别容易破碎，导致整个结构容易破裂和粉化，循环性能变差。安全和高能量密度之间怎么平衡是非常值得深入研究的课题。

刚才提到的痛点谈到了快充，终端客户希望新能源汽车充电时间最好和燃油车一样，能随时解决问题。现在电池充电速度是2C，但实际上的电池大概是0点几C。市场客户终端的需求和我们行业的现状差别特别大，目前在快充方面做的比较好的是3C、4C快充能力。那快充为什么影响性能，因为快充就要有很大的电流对电动车充电，大电流充电意味着速度很快，就会直接导致电池热量进入，温度上去，这是严重裂化安全性能的影响因素。另外，在快充的时候是锂电池动力学，可能输入更多能量，必然会有金属锂，金属锂是非常活泼的金属，它就是锂电池里面的恐怖分子。金属锂的缺陷一定也是电池性能要求裂化，快充现在是终端需求，同时还会带来安全问题的一个重大隐患。

再谈下产品化问题，电池在长期使用过程中安全特性到底会如何演化，这个问题非常重大，现在做的工作是相对比较少。比克在这方面有专门的团队去研究，锂电池在全生命周期安全与性能的变化，电池到后期的时候，材料结构、个人的因素都能导致更容易产生热失控反应，电池的安全特性对行业是非常重要的课题。目前发展到现在电池投入的量以及时间维度还没有到那个点，行业高度重视。

最后是成本问题，安全问题尽管复杂，但现在有很多措施都能解决，只是说措施的有效性，但锂电池毕竟是工业品，一定要在成本和安全之间做到平衡，不是安全问题不能解决，安全问题都能解决。但成本问题需要在客户接受范围内。所以我们强调成本，在成本和安全之间追求一个平衡。

简单小结一下，安全是温饱，成本是小康，性能是富裕。一定要先解决温饱然后才能更加小康和富裕，这是比克在这方面的基本理念。第二点是安全问题的解决核心是控制能量转换的速率，以及由此带来的热积累。安全成本、性能互相制约、互相耦合的过程，怎么样去做到平衡是我们工程技术人员应该着力解决的问题。