5月24日，CIBF2018 第十三届中国国际电池技术交流会展览会在深圳会展中心开幕。美国爱达荷国家实验室、清洁能源和运输部、储能和先进车辆部门经理廖伯彦博士在技术交流会上发表主题演讲。以下是演讲正文：

今天我会和大家聊一下电池组、电池性能设计方面的问题。我们和很多的实验室进行合作，说一下这个路线图，说一下实验室所在的位置，以及现在的情况。这是俄勒冈钢轴在西部、东部、南部，我们有瑞华大州和犹他州。这是美国的西北部，这个实验室有一个白色的圈。这个实验室非常的大，有900多英里，将近2400平方公里，是一个很大的国家实验室。主要的工作是核能的发电，我们这些核能发电的反应炉的设计核材料的开发，怎么去提炼，还有很多有关的生态保护，还有很多其他的工作都是在这个实验室进行。

我们是一个比较小的单位，主要是看核能发电和电网的衔接以后，所有再生能源的使用跟电动车使用，储能的使用，对整个电网的关系，我们做相当深度的开发。在我的实验室当中，其实我们的工作范围比较广，从根本的方法的了解，从能源到电网，一切都是在一个实验室完成，和其他的实验室相比，阿贡实验室，这些实验室更多的是科学实验室，而我们是聚焦在非常广泛的程度，我们主要是应用在科研方面，并不是单一的方面。阿公实验室和其他的实验室的范围就比较小一些。

我们现在要推动技术的转让，从材料科学到整个系统，在技术的转移方面，在衔接方面，技术的瓶颈是我们想知道的最重要的研究方向。这里涉及到交通，还有能源储存，我们现在电池的技术，快充技术，还有特别快速，超快速的充电，充电性能的情况（PPT）。基础设施，充电桩，充电设备，还有成本方面的问题，还有材料科学方面等等各个方面的问题。包括固态电池技术，还包括高温的燃料电池，还有反应堆，我们还有生物燃料等等，范围是非常广。在电池方面，我们涉及到电池的诊断和电池的以后情况，简单的情况可以通过测试可以看到，我们可以理解电池发展当中存在什么样的瓶颈，我们有三个实验室，一个是BLESS，能源系统储备评估实验室，另一个是非破坏性的电池实验室，用于评估的，称之为NOBLE，还有一个电动汽车架构的实验室。我们有无线充电，包括合网并网的整体性，涉及到非常多。

我们有非常强劲的合作伙伴和USABC，美国能源不下面的，我们还有很多的主机厂，跟它们进行合作，我们还有电动汽车的服务设备的提供商和研发上。我觉得这个方面我们的合作伙伴非常的多，我们还有和特斯拉进行合作。同时，我们势能下一步新的低成本的耐用性、安全、可靠的电池，还有搭建车的平台，以及燃料的基础设施。

传统上我们做电池，从材料开始，从材料做正向的电池设计，一直到整个成品，到电池的组装做测试以后来了解到底这个电池的设计好不好，这是一般我们做电池的方法。在这种应用当中，我们有正向的设计，当电池出现问题的时候，出现故障的时候我们不知道怎么去追诉它。在研发的每一步可能都会出现问题，比如说在软包电池，材料、制造、模块、电池包、整合、控制，包括BMS，整个电源管理系统，在整个供应链系统当中实际上都有问题，我们要解决的。在微观甚至到宏观的测量，到整个电池的系统表现，中间出问题的，这个问题在哪里，一般怎么解决，这个问题一般在产业里面是不会注意到的，在实验室里面这是我们工作的重点。我们的工作重点是反过来做，从系统的测量分析里面去了解到底现在电池的成品需要改进的方针在哪边。由这个失效机制，失效的模型跟它的效应做反推的工作，了解失效的原因是什么，技术上的瓶颈在那里。

我们的工作从电池500到快充，一直到整个成品的设计，测试，在USABC里面的工作，我们把这些信息都能够连接在一起去了解整个电池系统的问题到底是在哪里，有多少问题是因为电池的控制，有多少问题是因为电池的使用，有多少问题是电池的设计，有多少问题是电池的制造，还有多少问题是电池材料本身的问题。这个都必须要做有系统的分析以后，我们才知道这个电池，整个产业链的瓶颈到底是什么样的问题。

所以，我们对电池的看法是反过来看的，我们要看的是到底他的不同点在哪里，我们做模型要了解的是我们怎么去了解电池的变化，不是你当初设计的时候想要看到的。我们做分析是想知道这些超于常态的分布是怎么来的，怎么去控制它。我们要知道的是机理上的了解，不是做实验对应得到的结果。因为你不晓得你的准度跟精度到底在哪里产生了问题，所以我们要知道是由精度跟准度的控制，去了解在什么状况下这个表现是异常的，由这个表现异常才了解这个问题到底出在哪里。

所以，我想我们做这个应用科学的方法在传统上跟大家是有很大的差异。怎么去看这个问题？以电池500的题目来看，这两天也听到晓青老师，张继光的演说，讲到电解质里面电池的设计上的关键性的问题。但是他们只告诉你正向的，设计上的一些问题的解决方案，但是没有办法告诉你这个电池如果做不到500瓦时/公斤，到底问题在哪里？是电解质的问题？是正极的问题？是负极的问题？是设计的问题？是控制的问题？这个问题他并没有办法回答你。在我们实验室是反过来做的，根据他们的设计方案，根据他们给我们的电池，我们做测量以后，再把测量的数据做正确的分析以后回馈给他们，告诉你到底是电解质不好，是正极的材料损失产生的差异，或者是在很多负极还有其他组装上没有得到500瓦时/公斤的要求。

我们在做很多这方面的分析的时候，我们分析的角度和看法实际上是相当有差异的。比如说我们做这个电池的模型，我们的模型看的不是我们现在测的跟我算的对不对，我看的是我算的跟做的不对的时候到底是哪边出问题。我们做这个模型，右下角的模型（PPT），我们看的是电流的分布，没有意识看电流分布跟我们测的到底对不对，而是说由电流的分布看到底什么时候在快充的时候会西历（谐音），会产生质晶，什么样的状况下可以做正确的判断，如果这个电池没有办法做常态的表现，是什么东西出了问题。

长质晶不一定是材料问题，可能是控制的问题，可能是设计精度的问题，在制造电池的时候的控制问题，有很多问题没有办法了解，也就不知道怎么解决。我们通过做模型的方法帮助我们了解。左边这个图很简单（PPT），就是一个简单的扣电实验，用扣电实验的表现我们可以了解到底是什么样的失效机制引起扣电的表现之间产生了差异。这16个扣电一次做完，基本上可以做到非常一致，中间的差异，我们只能讲16个测量频道之间可能的差异，而不能讲这个差异是16个扣电本身的差异。

但是就是在这样好的扣电，做金属电极研究的时候，看它的生命循环寿命是有很大的差异，这个循环寿命的差异，我们可以用电化学的分析，这里面到底不同的生命周期的表现，里面的问题是什么问题，到底是因为锂损失的问题，还是因为锂跟正极之间反应的时候产生了SEI的不同表现，产生的阻抗增加的问题，还是更多其他问题。这种东西是很重要的，我们的研究方法跟看的东西实际上跟大家做一般研究的时候注重的东西，我们是用反差的方法来看问题的。

我们实验室，因为从材料本身一直做到整个单体，到电池组，这边就是我们最近发表的一篇文章（PPT），从实验室里面得到了一些表现，经过3-5年的使用表现，到底电池组跟电池本身的单体关系，能不能看到它的失效，整个失效过程是怎么演变的，能不能了解到当初电池的设计有哪些问题，哪些是因为使用得来的，哪些是因为设计得来的，哪些是因为在不同的地方使用的关系而得到的这些差异。现在我们在做这方面的研究，帮助产业了解现在电池设计上的瓶颈问题。

电池500有一个很有意思的工作，我们先从解决高能量、高比能的设计跟长的寿命开始，后续再来解决高功率的问题。为什么从高比能来做？一个平台很好的告诉我们，从电池的设计，电极材料本身，到整个安全设计，互相之间的关系怎么用设计的方法，怎么用解析的方法来了解我们做到电池500瓦时/公斤，做一千次的循环。金属电极要做到一千循环是不容易的，要做到500瓦时/公斤也不容易。我们要了解从设计到实验里面的问题。

团队有三个梯队，一个梯队是了解材料当中的动力学的关系。第二个梯队是从电极的设计，了解电极设计里面的极限。第三个团队是看整个电池设计完以后的表现，由电池的表现看到底多少问题是由电极产生的，有多少是材料本身动力学的极限而没有办法做到电池达到原来的设计标准。我们看电池的表现很重要，看差异性来看电池到底碰到什么问题。怎么看差异性，这是我们电池设计的一个参数，右边是整个测试的流程。

从电极里面，看它的差异性，有可能是从正极来的，我们用的正极是622三元，也有可能负极来的，从锂金属的厚度，它表层的产生的异物和形貌，也有可能是电解液，也有可能是测量的一些精度的问题，而没有办法让电池的表现能够达标。这些问题要怎么慢慢去分析？如果看16个电池做出来的精度，一般来讲16个电池做到一致性差异是没有的。24小时放电量出来的曲线基本上是在一条线上的，这是扣电。但是如果让它循环，前面的25周期16个电池还是在一个很有限的变化里面，表现性、重复性是非常好的，做第一个10小时充放电和20小时充放电，了解有多少材质损失，由这个材质损失实验才知道到底有多少的损失是因为材料本身的变化，有多少是电池本身设计上的一些差异引起的问题。但是到后面25个周期的时候差异性就出来了，本来是16颗很好的一致的电池，经过不同的测试手段以后，它的差异性就出来了，这个差异性出来，我们就要开始了解到底这不同的电池里面为什么会有这些差异。

好的电池一般来讲一致性还是非常好，我们有一些电池开始有点走样，怎么定义这个走样？这是很有意思的，我们把它叫不好的电池。还有一些实际上是非常难看的，一下子就差不多了，已经没有办法再使用了，我们叫很难看的电池。第一个我们看的就是dQ/dV，25个周期看到表现基本上是一致的，但是有些微笑的差异，这些微小的差异很可能是材料的，也可能是组装的时候产生的差异，开始会有一些变化。这些变化在第一次的Refer很难察觉到差异。到第二次25周循环的时候，这个差异性在不同的电池里面就开始出现了，有些出现是相当亦然的，有些出现是微观的，只是偏差，有些是很明显的差异。

到底是什么问题引起的？我们从充电，从放电，里面的这些差异就可以去追寻它的前因后果，是什么时候充电或放电的时候结果会有差异，这些差异开始会告诉我们这些差异的来源可能是来源于什么问题。

回到热力学的分析，同样的材料电化学的反应应该是一致的，热力学的原理，在同样一致的反应里面，为什么这些差异会产生。当然，这些产生应该是动力学的一个问题了，意思就是说可能很多表面、界面的问题，也有可能是离子传导的问题。这样的问题在同一个设计，同样一个电池里面会产生变异，能不能用简单的方法去判断。我们的方法是怎么定义充电状态，怎么定义放电状态。由放电状态跟充电状态之间的差异，我们可以追寻什么时候锂的损失可以检测出来，在什么状况下这些损失我们可以去了解它的差异。

从10小时、20小时放电跟3小时放电的循环里面，由这些倍率差异可以知道到底是动力学影响的差异，我们可不可以察觉，我们有一套方法可以做这个分析，这个分析告诉你，比如说20小时放电，从25次循环基本上是有一致的关系，到后面放电的状态，20小时放电的时候开始会有一些差异，这些差异在用3小时放电的刻度去看，就会发现它不是一个极化的问题，还有界面跟SEI传导的问题，这些问题在做分析的时候，慢慢这些差异就会开始显现出来，告诉你这些电极里面到底是出了什么问题。

把这些问题做一个总结，从SOC，跟它阻抗的关系，慢慢就会发现到底这是一个热力学材料损失的问题，还是动力学阻抗传导的问题。这些问题总结以后就会发现，实际上一开始好的电池永远逃不过一些材料的损失，材料损失是16个电池都会碰到的问题。

这些问题到了后面的时候，要把这个锂从锂金属开始，会产生新的SEI，这些新的SEI可能不一样，会产生好的跟不好的介质的差异。到后面SEI产生的膜会产生锂离子导的时候，就会引起跳水的问题，我们知道是传导引起的问题。这16个电池已经告诉我们整个生命周期的问题，只是它发生的时间点是不一样的，当它的机制是一样的，由这个理念可以开始去发觉，到底我们在当初组装的时候这些电池里面的材料跟它的组装方式是怎么样产生差异。

一个基本的观念，怎么用逆推的方法电池设计的问题，以这个方法我们去了解从结构上，从材料的本身，热力学、动力学的问题，到整个电池的设计，它们之间的差异怎么去用不同的分析方法，不管是物理分析还是化学分析，电化学的分析，慢慢把这些关系找出来以后，就了解了设计上的问题。

失效分析是一个很重要的手段，一般我们在产业里面很少人用这种方法帮助你做电池设计。我们希望基于这个机会告诉你们失效分析本身是非常有用的手段，你要做的是定量，能够做到定量的手段的时候，那你对整个技术的环节，跟整个电池设计里面的关系，就会找到一个非常好的对应，由这个对应，最重要看的是差异性，不是一致性；最重要要了解不是只有电池材料的问题，整个电池的设计牵涉到的问题是相当复杂的，你必须要有相当好的准度跟精度去判断这些差异的来源。最后，希望有机会大家可以到我们实验室参观。

提问：谢谢廖老师的报告，一个简单的问题，我们有的时候做分析的时候，希望理解里面的电池化学，如果我们理解了电池化学，实际上相当于有了数据库，遇到问题的时候，反推是可以找到答案的。比如说在做锂金属或是500瓦时/公斤的时候没有这些数据库，逆向分析怎么帮我们建立数据库或怎么帮我们探究真正的原因？

廖伯彦：最重要的问题不是数据库的问题，是用有限的信息了解数据包含的意义。我今天讲的问题不是想说我们这个电池做的多好，而是从简单的分析里面怎么去从数据里面了解到底有限的信息能告诉你电池设计上它的缺失在哪里。16个简单的电池，不管是好不好，都会告诉你很多信息，主要的问题是从这些信息里面找出什么样的结论来帮助你做设计，这是最重要的。

（根据速记整理，未经嘉宾审阅）