鋰電池作為儲(chǔ)能關(guān)鍵器件，是決定電化學(xué)儲(chǔ)能進(jìn)步的“中樞”。面向未來(lái)十年乃至更長(zhǎng)的周期，一條“長(zhǎng)坡厚雪”巨大賽道正在全面開啟。
高工產(chǎn)業(yè)研究院（GGII） 數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)2025年，全球儲(chǔ)能電池出貨量將超500GWh，到2030年，儲(chǔ)能電池出貨量將達(dá)到2300GWh，市場(chǎng)規(guī)模將超3萬(wàn)億。
巨大的市場(chǎng)需求開啟的同時(shí)，行業(yè)也開始呼喚更貼合儲(chǔ)能場(chǎng)景的專用電池。通過(guò)針對(duì)性的正向開發(fā)符合儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景電池產(chǎn)品，就成為目前產(chǎn)業(yè)界的共同方向。
與動(dòng)力電池產(chǎn)品過(guò)去幾年更側(cè)重于能量密度的提升所不同，儲(chǔ)能電池目前最為關(guān)注的性能焦點(diǎn)是“循環(huán)壽命”，這也是當(dāng)下電池企業(yè)產(chǎn)品比拼的關(guān)鍵指標(biāo)。
這其中的邏輯不難理解，儲(chǔ)能電池更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，就意味著更低的全生命周期度電成本。
數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)儲(chǔ)能電池循環(huán)壽命提升到10000次，儲(chǔ)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(lái)儲(chǔ)能系統(tǒng)在全生命周期度電成本的降低。
正是圍繞于市場(chǎng)的核心需求點(diǎn)，儲(chǔ)能電池企業(yè)都在加大投入開發(fā)循環(huán)壽命更長(zhǎng)的電芯，不少企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出循環(huán)壽命10000次甚至12000次的儲(chǔ)能電芯。
但放眼全行業(yè)，儲(chǔ)能電池企業(yè)目前的產(chǎn)品開發(fā)中，對(duì)于終端市場(chǎng)最為關(guān)注的循環(huán)壽命性能方面，還面臨不小的挑戰(zhàn)：
一是電池產(chǎn)品設(shè)計(jì)的循環(huán)壽命還無(wú)法達(dá)到客戶需求，亟待開發(fā)更長(zhǎng)循環(huán)壽命的電池。目前除少數(shù)頭部企業(yè)外，大部分電池企業(yè)的產(chǎn)品循環(huán)壽命只能達(dá)到5000~6000次，如何進(jìn)一步提升產(chǎn)品循環(huán)壽命，是其最為緊迫的需求。
二是對(duì)于電池壽命的預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確，實(shí)際生產(chǎn)的電芯循環(huán)壽命與設(shè)計(jì)的相差甚遠(yuǎn)，尤其是會(huì)出現(xiàn)循環(huán)跳水等問(wèn)題，直接引發(fā)了客戶的不滿和投訴。據(jù)了解，不少儲(chǔ)能電芯出廠時(shí)的可用能量和實(shí)際的偏差超過(guò)20~30%。
作為中國(guó)電芯仿真設(shè)計(jì)工具領(lǐng)域的代表企業(yè)，易來(lái)科得敏銳地洞察到行業(yè)痛點(diǎn)需求，并針對(duì)電池壽命衰減問(wèn)題提出了“電芯壽命回溯助力長(zhǎng)壽命電芯設(shè)計(jì)”解決方案，旨在通過(guò)一攬子精細(xì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和機(jī)理仿真模擬工作，快速錨定原有設(shè)計(jì)循環(huán)壽命不達(dá)標(biāo)的根因；進(jìn)一步通過(guò)仿真正向設(shè)計(jì)方法優(yōu)化提升電芯壽命性能，協(xié)助電池企業(yè)最終實(shí)現(xiàn)可靠的長(zhǎng)壽命電池產(chǎn)品交付。
易來(lái)科得CEO 陳新虹博士介紹，該方案可以針對(duì)現(xiàn)有電芯的設(shè)計(jì)壽命達(dá)不到使用需求的痛點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行回溯，并針對(duì)電芯壽命回溯結(jié)果的解析，通過(guò)壽命仿真優(yōu)化電芯壽命不達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵影響因子，從而提升電芯壽命。以此為行業(yè)提供更好、更快、更省的解決方案。
電池壽命不達(dá)標(biāo)關(guān)鍵因素回溯
對(duì)于大多數(shù)儲(chǔ)能電池企業(yè)而言，在產(chǎn)品開發(fā)中面臨的最大挑戰(zhàn)之一，是無(wú)法精準(zhǔn)快速定位電芯壽命不達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵因素。這直接影響到電池設(shè)計(jì)。
在這背后，核心原因在于，影響電池老化的因素非常復(fù)雜，包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用多個(gè)維度，涉及的因素和變量非常多。
與此同時(shí)，電池背后的老化機(jī)理也同樣非常復(fù)雜，涵蓋了結(jié)構(gòu)變化、相變、金屬熔解、粘結(jié)劑分解、導(dǎo)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(chǎn)氣等。
如此多的變量和背后機(jī)理，如何找到他們彼此之前的相互關(guān)聯(lián)性，這對(duì)于電池壽命的針對(duì)性設(shè)計(jì)開發(fā)至關(guān)重要。
根據(jù)易來(lái)科得的電芯壽命回溯解決方案，先要通過(guò)老化機(jī)理實(shí)驗(yàn)診斷影響電芯壽命的關(guān)鍵因素，再進(jìn)一步通過(guò)仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)大幅提升電芯壽命。
對(duì)此，第一步是要找到設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用環(huán)節(jié)的變量與電池老化機(jī)理之間的因果量化關(guān)系。針對(duì)影響電池老化的因素，建立一套全面科學(xué)的失效分析流程。
針對(duì)于此，易來(lái)科得創(chuàng)新性的提出要結(jié)合“無(wú)損分析”+“有損分析”的方式，全面且高效的剖析電芯壽命問(wèn)題。
無(wú)損分析包括小倍率重放電曲線、EIS測(cè)試、電芯ICA/DVA測(cè)試、電芯電壓及內(nèi)阻、電芯外觀、電芯尺寸、電芯CT圖等環(huán)節(jié)。有損分析包括電極滿充界面、電芯機(jī)械件檢查、電解液殘留量及顏色、內(nèi)部卷芯形變確認(rèn)、陰陽(yáng)極厚度測(cè)量、電解液成分、正負(fù)極EDS等環(huán)節(jié)。
基于無(wú)損分析實(shí)驗(yàn)與有損分析實(shí)驗(yàn)的充分結(jié)合，可以進(jìn)行單機(jī)理的表征實(shí)驗(yàn)。
為了加速壽命實(shí)驗(yàn)的高效進(jìn)行，易來(lái)科得通過(guò)選取合適的外界應(yīng)力范圍，在不超過(guò)濫用邊界，保證加速老化結(jié)果是在有效范圍的前提下，盡可能縮短壽命實(shí)驗(yàn)周期。
電池的外界應(yīng)力包括充放電倍率、上下限電壓、環(huán)境溫度等因素，應(yīng)力過(guò)低和過(guò)高都會(huì)導(dǎo)致異常老化，應(yīng)力水平偏低，會(huì)老化慢，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，因此，采用合理的應(yīng)力范圍非常關(guān)鍵。
基于無(wú)損分析和有損分析的一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體解析，從而就能得到影響電池壽命的相關(guān)表征的關(guān)聯(lián)度。
例如，通過(guò)電芯的外觀判斷電芯是否存在漏液，通過(guò)電芯直徑/厚度變化確定電芯產(chǎn)氣及膨脹情況；通過(guò)BOL/EOL電芯小倍率容量測(cè)試結(jié)果，判斷活性材料和活性鋰是否發(fā)生損失，以及不可逆活性鋰損失的準(zhǔn)確值；通過(guò)電芯循環(huán)前后的CT圖判斷卷芯形態(tài)變化，同時(shí)判斷電極是否褶皺，若出現(xiàn)嚴(yán)重褶皺則會(huì)導(dǎo)致析鋰及活性物質(zhì)失去電接觸，從而惡化電芯的壽命。
這樣一來(lái)，通過(guò)全面科學(xué)的失效分析流程、合理高效的壽命加速實(shí)驗(yàn)以及準(zhǔn)確有效的機(jī)理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試驗(yàn)證。就能對(duì)于電池壽命進(jìn)行完整的追溯和分析。
易來(lái)科得的方案通過(guò)采用“雙軌并行”的模式，從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用角度出發(fā)，準(zhǔn)確映射到相應(yīng)老化機(jī)理，進(jìn)而歸因至電池壽命衰減的兩大主要外特性表現(xiàn)——容量損失及內(nèi)阻增加，以科學(xué)的機(jī)理+工程方法明晰影響電芯壽命的復(fù)雜響應(yīng)機(jī)制。
精準(zhǔn)定位關(guān)鍵影響因素（如析鋰、電解液干涸、堵孔）
通過(guò)高精度單機(jī)理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)定位到電芯壽命衰減中的問(wèn)題根源，同時(shí)也可以通過(guò)老化模型構(gòu)建的方式雙線驗(yàn)證電芯壽命衰減問(wèn)題，進(jìn)一步協(xié)助客戶優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案。
陳新虹表示，實(shí)驗(yàn)回溯分析電芯壽命問(wèn)題的價(jià)值在于，一是通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及加速老化方法，快速準(zhǔn)確地完成電芯的壽命問(wèn)題回溯，定位關(guān)鍵影響因子。二是通過(guò)優(yōu)化關(guān)鍵影響因子，解決用戶的設(shè)計(jì)問(wèn)題，最終達(dá)到提升電芯壽命的目的。
電池壽命仿真預(yù)測(cè)
除了快速精準(zhǔn)定位電芯壽命不達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵因素，對(duì)于電池企業(yè)而言，長(zhǎng)壽命電芯開發(fā)過(guò)程中另外一個(gè)最大的挑戰(zhàn)在于，如何精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)電池壽命。針對(duì)此，易來(lái)科得同樣給出了一套創(chuàng)新的解決方案。
高工鋰電獲悉，目前，電池企業(yè)對(duì)于電池壽命預(yù)測(cè)主要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(guò)程中的重要特征現(xiàn)象。
例如，電池壽命后期突然發(fā)生的容量跳水、電池負(fù)極表面析鋰及帶來(lái)的電解液的耗干等，而這些現(xiàn)象對(duì)于迅速捕捉電池容量的陡峭變化及時(shí)更新BMS算法、在線故障診斷、預(yù)防電池安全事故等，以及可能的梯次利用場(chǎng)景等，都具有重要價(jià)值。
二是無(wú)法建立電池設(shè)計(jì)方案與其壽命表現(xiàn)之間的相關(guān)關(guān)系，從而無(wú)法為面向長(zhǎng)壽命的電池設(shè)計(jì)與工藝改進(jìn)提供指導(dǎo)意見。
在此背景下，電池企業(yè)就需要更專業(yè)、更準(zhǔn)確的電池壽命預(yù)測(cè)方案來(lái)支持其長(zhǎng)壽命電池的開發(fā)。
陳新虹向高工鋰電表示，更為精準(zhǔn)的電池老化預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)方案，不僅需要考慮包括SEI成膜與膜厚增加、析鋰、孔結(jié)構(gòu)堵塞、產(chǎn)氣、電解液消耗、界面阻抗增加在內(nèi)的多種老化機(jī)理。
更為重要的還要建立一套精準(zhǔn)的老化機(jī)理模型，在數(shù)理上，實(shí)現(xiàn)各類機(jī)理與電化學(xué)偏微分方程組耦合求解，在幾何上，在多孔電極真實(shí)物理模型中定位不同老化現(xiàn)象發(fā)生的微觀位置，從而對(duì)電池的老化過(guò)程進(jìn)行定量精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，從而再給出面向電池壽命提升的電極與電芯層面設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。
耦合電化學(xué)-熱模型的老化機(jī)理模型
而易來(lái)科得提供的解決方案，就實(shí)現(xiàn)了這樣的功能。其包含了通過(guò)化學(xué)形態(tài)分析的析鋰檢測(cè)方法及通過(guò)電性能測(cè)試檢測(cè)析鋰的方法，并擁有科學(xué)完整的析鋰定性及定量表征機(jī)制。可以創(chuàng)新性地協(xié)助用戶理解電芯老化過(guò)程中的復(fù)雜機(jī)理。
同時(shí)，基于耦合電化學(xué)-熱模型的老化機(jī)理模型，可以快速為用戶提供高精度電池老化預(yù)測(cè)結(jié)果（誤差10%以內(nèi)）和更有效的長(zhǎng)壽命電池設(shè)計(jì)方案。
陳新虹表示，建立老化機(jī)理模型價(jià)值在于，一是通過(guò)建立設(shè)計(jì)與壽命表現(xiàn)的仿真工具，幫助企業(yè)不斷提高長(zhǎng)壽命電池的設(shè)計(jì)能力；二是獲取準(zhǔn)確的壽命衰減曲線，捕捉電芯衰減跳水點(diǎn)。三是幫助客戶解析電池老化的衰減機(jī)理，四是單機(jī)理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其對(duì)老化的影響程度，五是識(shí)別對(duì)壽命影響的關(guān)鍵因子，針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化延長(zhǎng)電池壽命。
通過(guò)建立老化機(jī)理模型，易來(lái)科得以實(shí)驗(yàn)結(jié)合仿真的機(jī)制協(xié)助企業(yè)不斷提升長(zhǎng)壽命電池的設(shè)計(jì)能力。通過(guò)解決方案的實(shí)施，客戶不僅能夠獲取準(zhǔn)確的壽命衰減曲線，預(yù)測(cè)電池容量衰減速率拐點(diǎn)，進(jìn)而得到精細(xì)解析的電池老化衰減機(jī)理，最終識(shí)別對(duì)壽命影響的關(guān)鍵因子，針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化延長(zhǎng)電池壽命。
高工儲(chǔ)能認(rèn)為，面向快速向前的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)，大幅提高電芯壽命已成為行業(yè)重要發(fā)展方向，以此觀察，易來(lái)科得的“電芯壽命回溯助力長(zhǎng)壽命電芯設(shè)計(jì)”解決方案，通過(guò)正向設(shè)計(jì)思路，展現(xiàn)出智能化設(shè)計(jì)在效率、準(zhǔn)確性、成本等方面的明顯優(yōu)勢(shì)，將成為電池企業(yè)進(jìn)行電芯開發(fā)的重要選擇，并將成為儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)支撐。
