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    儲能長壽命電芯背后的設計“秘密”
    文章來源:高工鋰電網 發布時間:2022-11-17 閱讀:14622 次
    摘要易來科得針對電池壽命衰減問題提出了“電芯壽命回溯助力長壽命電芯設計”解決方案。

    鋰電池作為儲能關鍵器件,是決定電化學儲能進步的“中樞”。面向未來十年乃至更長的周期,一條“長坡厚雪”巨大賽道正在全面開啟。

    高工產業研究院(GGII) 數據顯示,預計2025年,全球儲能電池出貨量將超500GWh,到2030年,儲能電池出貨量將達到2300GWh,市場規模將超3萬億。

    巨大的市場需求開啟的同時,行業也開始呼喚更貼合儲能場景的專用電池。通過針對性的正向開發符合儲能應用場景電池產品,就成為目前產業界的共同方向。

    與動力電池產品過去幾年更側重于能量密度的提升所不同,儲能電池目前最為關注的性能焦點是“循環壽命”,這也是當下電池企業產品比拼的關鍵指標。

    這其中的邏輯不難理解,儲能電池更長的循環壽命,就意味著更低的全生命周期度電成本。

    數據顯示,當儲能電池循環壽命提升到10000次,儲能成本將降至1000元/ kWh以下,扣除充放電損耗和折舊,度電成本將低于0.16元。顯而易見的是,電池使用壽命的增加,可以帶來儲能系統在全生命周期度電成本的降低。

    正是圍繞于市場的核心需求點,儲能電池企業都在加大投入開發循環壽命更長的電芯,不少企業已經開發出循環壽命10000次甚至12000次的儲能電芯。

    但放眼全行業,儲能電池企業目前的產品開發中,對于終端市場最為關注的循環壽命性能方面,還面臨不小的挑戰:

    一是電池產品設計的循環壽命還無法達到客戶需求,亟待開發更長循環壽命的電池。目前除少數頭部企業外,大部分電池企業的產品循環壽命只能達到5000~6000次,如何進一步提升產品循環壽命,是其最為緊迫的需求。

    二是對于電池壽命的預測不準確,實際生產的電芯循環壽命與設計的相差甚遠,尤其是會出現循環跳水等問題,直接引發了客戶的不滿和投訴。據了解,不少儲能電芯出廠時的可用能量和實際的偏差超過20~30%。

    作為中國電芯仿真設計工具領域的代表企業,易來科得敏銳地洞察到行業痛點需求,并針對電池壽命衰減問題提出了“電芯壽命回溯助力長壽命電芯設計”解決方案,旨在通過一攬子精細實驗設計和機理仿真模擬工作,快速錨定原有設計循環壽命不達標的根因;進一步通過仿真正向設計方法優化提升電芯壽命性能,協助電池企業最終實現可靠的長壽命電池產品交付。

    易來科得CEO 陳新虹博士介紹,該方案可以針對現有電芯的設計壽命達不到使用需求的痛點問題進行回溯,并針對電芯壽命回溯結果的解析,通過壽命仿真優化電芯壽命不達標的關鍵影響因子,從而提升電芯壽命。以此為行業提供更好、更快、更省的解決方案。

    電池壽命不達標關鍵因素回溯

    對于大多數儲能電池企業而言,在產品開發中面臨的最大挑戰之一,是無法精準快速定位電芯壽命不達標的關鍵因素。這直接影響到電池設計。

    在這背后,核心原因在于,影響電池老化的因素非常復雜,包括設計、生產、使用多個維度,涉及的因素和變量非常多。

    與此同時,電池背后的老化機理也同樣非常復雜,涵蓋了結構變化、相變、金屬熔解、粘結劑分解、導電劑氧化、集流體腐蝕、電解液分解、SEI膜成膜及增厚、堵孔、析鋰、產氣等。


    如此多的變量和背后機理,如何找到他們彼此之前的相互關聯性,這對于電池壽命的針對性設計開發至關重要。

    根據易來科得的電芯壽命回溯解決方案,先要通過老化機理實驗診斷影響電芯壽命的關鍵因素,再進一步通過仿真驅動設計大幅提升電芯壽命。

    對此,第一步是要找到設計、生產、使用環節的變量與電池老化機理之間的因果量化關系。針對影響電池老化的因素,建立一套全面科學的失效分析流程。

    針對于此,易來科得創新性的提出要結合“無損分析”+“有損分析”的方式,全面且高效的剖析電芯壽命問題。


    無損分析包括小倍率重放電曲線、EIS測試、電芯ICA/DVA測試、電芯電壓及內阻、電芯外觀、電芯尺寸、電芯CT圖等環節。有損分析包括電極滿充界面、電芯機械件檢查、電解液殘留量及顏色、內部卷芯形變確認、陰陽極厚度測量、電解液成分、正負極EDS等環節。

    基于無損分析實驗與有損分析實驗的充分結合,可以進行單機理的表征實驗。

    為了加速壽命實驗的高效進行,易來科得通過選取合適的外界應力范圍,在不超過濫用邊界,保證加速老化結果是在有效范圍的前提下,盡可能縮短壽命實驗周期。

    電池的外界應力包括充放電倍率、上下限電壓、環境溫度等因素,應力過低和過高都會導致異常老化,應力水平偏低,會老化慢,實驗時間長,因此,采用合理的應力范圍非常關鍵。

    基于無損分析和有損分析的一系列實驗結果,將得到的相關數據進行具體解析,從而就能得到影響電池壽命的相關表征的關聯度。

    例如,通過電芯的外觀判斷電芯是否存在漏液,通過電芯直徑/厚度變化確定電芯產氣及膨脹情況;通過BOL/EOL電芯小倍率容量測試結果,判斷活性材料和活性鋰是否發生損失,以及不可逆活性鋰損失的準確值;通過電芯循環前后的CT圖判斷卷芯形態變化,同時判斷電極是否褶皺,若出現嚴重褶皺則會導致析鋰及活性物質失去電接觸,從而惡化電芯的壽命。

    這樣一來,通過全面科學的失效分析流程、合理高效的壽命加速實驗以及準確有效的機理實驗設計及測試驗證。就能對于電池壽命進行完整的追溯和分析。

    易來科得的方案通過采用“雙軌并行”的模式,從設計、生產、使用角度出發,準確映射到相應老化機理,進而歸因至電池壽命衰減的兩大主要外特性表現——容量損失及內阻增加,以科學的機理+工程方法明晰影響電芯壽命的復雜響應機制。


    精準定位關鍵影響因素(如析鋰、電解液干涸、堵孔)

    通過高精度單機理驗證實驗定位到電芯壽命衰減中的問題根源,同時也可以通過老化模型構建的方式雙線驗證電芯壽命衰減問題,進一步協助客戶優化現有設計方案。

    陳新虹表示,實驗回溯分析電芯壽命問題的價值在于,一是通過合理的實驗設計及加速老化方法,快速準確地完成電芯的壽命問題回溯,定位關鍵影響因子。二是通過優化關鍵影響因子,解決用戶的設計問題,最終達到提升電芯壽命的目的。

    電池壽命仿真預測

    除了快速精準定位電芯壽命不達標的關鍵因素,對于電池企業而言,長壽命電芯開發過程中另外一個最大的挑戰在于,如何精準地預測電池壽命。針對此,易來科得同樣給出了一套創新的解決方案。

    高工鋰電獲悉,目前,電池企業對于電池壽命預測主要通過經驗公式、數據驅動黑箱模型以及等效電路模型(ECM)等方法。

    但上述方法面臨著明顯的局限性:

    一是難以捕捉到電池老化過程中的重要特征現象。

    例如,電池壽命后期突然發生的容量跳水、電池負極表面析鋰及帶來的電解液的耗干等,而這些現象對于迅速捕捉電池容量的陡峭變化及時更新BMS算法、在線故障診斷、預防電池安全事故等,以及可能的梯次利用場景等,都具有重要價值。

    二是無法建立電池設計方案與其壽命表現之間的相關關系,從而無法為面向長壽命的電池設計與工藝改進提供指導意見。

    在此背景下,電池企業就需要更專業、更準確的電池壽命預測方案來支持其長壽命電池的開發。

    陳新虹向高工鋰電表示,更為精準的電池老化預測和設計方案,不僅需要考慮包括SEI成膜與膜厚增加、析鋰、孔結構堵塞、產氣、電解液消耗、界面阻抗增加在內的多種老化機理。

    更為重要的還要建立一套精準的老化機理模型,在數理上,實現各類機理與電化學偏微分方程組耦合求解,在幾何上,在多孔電極真實物理模型中定位不同老化現象發生的微觀位置,從而對電池的老化過程進行定量精準預測,從而再給出面向電池壽命提升的電極與電芯層面設計改進方案。



     耦合電化學-熱模型的老化機理模型


    老化壽命仿真結果展示

    而易來科得提供的解決方案,就實現了這樣的功能。其包含了通過化學形態分析的析鋰檢測方法及通過電性能測試檢測析鋰的方法,并擁有科學完整的析鋰定性及定量表征機制??梢詣撔滦缘貐f助用戶理解電芯老化過程中的復雜機理。

    同時,基于耦合電化學-熱模型的老化機理模型,可以快速為用戶提供高精度電池老化預測結果(誤差10%以內)和更有效的長壽命電池設計方案。

    陳新虹表示,建立老化機理模型價值在于,一是通過建立設計與壽命表現的仿真工具,幫助企業不斷提高長壽命電池的設計能力;二是獲取準確的壽命衰減曲線,捕捉電芯衰減跳水點。三是幫助客戶解析電池老化的衰減機理,四是單機理實驗驗證其對老化的影響程度,五是識別對壽命影響的關鍵因子,針對性地進行設計優化延長電池壽命。

    通過建立老化機理模型,易來科得以實驗結合仿真的機制協助企業不斷提升長壽命電池的設計能力。通過解決方案的實施,客戶不僅能夠獲取準確的壽命衰減曲線,預測電池容量衰減速率拐點,進而得到精細解析的電池老化衰減機理,最終識別對壽命影響的關鍵因子,針對性地進行設計優化延長電池壽命。

    高工儲能認為,面向快速向前的儲能產業,大幅提高電芯壽命已成為行業重要發展方向,以此觀察,易來科得的“電芯壽命回溯助力長壽命電芯設計”解決方案,通過正向設計思路,展現出智能化設計在效率、準確性、成本等方面的明顯優勢,將成為電池企業進行電芯開發的重要選擇,并將成為儲能產業持續發展的重要技術支撐。
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