欧阳明高
电池技术的创新周期大约是30年，现在的锂离子电池在动力方面的应用始于2000年前后，按照这个创新周期计算，预计动力电池技术将在2030年产生一次全方位的革新。从2000年开始的第一个十年，我们主要解决动力化的安全问题，因为锂离子电池用于动力，其涉及的第一个隐患就是安全问题，目前还在继续解决。从2010年开始的第二个十年，手机电池已经实现了智能优化，如今的动力电池产业规模十分庞大，实现降本增效需通过智能化手段，推动动力电池全产业链的技术革新。随着新材料的不断更新迭代，以固态电解质研发为核心的全固态电池成为当前的研发热点，但这一技术要到2030年才会成熟。因为超高比电池的能量需求会催生新一代材料，所以我们现在也开始了固态化的研究，即全固态电池。
从科学的角度来讲，电池安全问题就是电池热失控，是由各种诱因导致电池内部温度上升。当电池内部升温超过其正常电化学反应，就会产生放热的副反应，这种副反应会加速电池温度上升。当这个温度达到临界点时就会到达一个速率，即每秒钟上升1000摄氏度，便会产生热失控。热失控一旦发生，将在整个电池系统中蔓延，引发一系列连锁反应，导致自燃甚至爆炸等事故。
为此，我们从三个方面建立了相应的电池安全技术体系：一是被动安全，通过安全电池应对热失控蔓延；二是通过主动安全来应对各种诱因，目前发展的产品就是智能电池；三是本征安全或本质安全，通过提高电池本身材料的热稳定性防止热失控的发生，同时也推动了全固态电池的研发和更新换代。
一、被动安全与安全电池
提到电池安全问题，人们首先联想到电池着火，无论是电动自行车着火、电动汽车着火还是储能电站着火，都是热蔓延的结果。热蔓延过程首先是电池热失控导致安全阀打开喷出了气体和颗粒物，而喷出的气体中含有大量的氢气。通过比较各种气体的燃爆特性，我们发现磷酸铁锂电池虽然不容易产生热失控，可一旦着火，它的气体燃爆指数要比三元聚合物锂电池（三元锂电池）高得多。在如何点燃这一问题上，对于三元锂电池来讲，无需外火就可自燃，因为它喷出的大量金属颗粒物在和电池包的外覆盖件摩擦时就会产生火花，而磷酸铁锂电池只在有明火的时候才会触发热蔓延。因此，研究火的来源是解决这一问题的关键。
高压系统的电弧是我们忽视的一个火源，有的电池放到水下也会燃烧，其原因主要是产生的电弧导致的。尤其是三元锂电池会喷出很多颗粒物，这些颗粒物存在的环境更容易产生电弧，即临界电离的电压大幅下降。
如何消除热蔓延？现在我们开发的防火墙技术已经升级到第三代。第一代防火墙的作用就是隔热，但是达不到每公斤300瓦时以上高比能量电池的隔热要求，需要低温导热、中温吸热和高温隔热三个同时进行。为此，我们开发了纳米纤维的基底耐高温材料，可经受1300摄氏度的高温。在此基础上还有相变材料，通过相变材料和陶瓷纤维同时隔热和吸热来进行能量疏导，可以防止300瓦时/公斤电池发生热蔓延。基于此，我们开发了安全电池包并实现了产业化，如科易动力是柳州五菱轿车电池包的主供应商之一。另外，在储能电池方面，重庆清安储能是提供储能电池系统的一家专业公司。
二、主动安全与智能电池
实现主动安全需要三个方面：安全预警、主动调控、智能电池。第一，我们要做好安全预警。安全预警如何来做实验呢？现在做好实验是不太容易的，所以我们发明了一些新的实验方法，即电池热失控诱因。那么，如何复现热失控并做好安全预警？首先，我们采用缺陷植入的方法，发现热失控在早期、中期、晚期、末期是如何演变的。通过这种方法，我们首次复现重构了突然死亡型热失控，复现之后就容易找到预警的方法。其次，内短路也很难进行实验复现，我们采用了记忆合金植入方法，并基于这种方法建立仿真模型，确定内短路热失控的引发边界，做出内短路的识别算法。在热失控复现和预警方法的基础上，我们发布了电池领域的第一个大模型，这是全球第一个大模型，参数量达到12亿个，故障的检出率高达93%，误报率降低至0.1%。
主动安全不能光靠预警。比如，快充会导致析锂，析锂会产生枝晶，枝晶也会刺破隔膜，引发安全事故。所以我们需要知道负极电位，控制快充最大的电流边界，主动降低安全隐患。为此，我们开发了第三代负极电位传感器，直接在隔膜上喷涂活性材料，实现柔性传感。基于这项技术，我们开发了480千瓦以上的充电系统，并研制出快速加热技术，因为冬天快充是最容易析锂的，必须用大功率脉冲来提升温度，然后再进行快充。另一种主动安全防控是直接调控热失控，打断它的反应路径，让温度上不去。热失控自升热反应都是从负极开始的，负极与电解液反应产生还原性气体，还原性气体的反应必须要得电子，如果用调控的办法争夺电子,比如进行反向放电,争夺电子，就可以抑制热失控的反应，把热失控调下来。
在新型智能电池的开发方面，我们做成了智能集流体、智能端盖，还将芯片植入电池中，实现了“智能端盖+芯片+压力传感器+气体调控”。下一步，我们还要全方位开发算法。在此基础上我们将进行全生命周期的智能化，基于我们的大模型可以做智能设计、智能制造、智能管理、智能回收。比如在智能设计方面，易来科得科技公司是国内少有的有自主底层算法的电池设计公司，目前也在进军欧洲市场。在智能制造方面，赛欧科技是通过跟厂家合作发展壮大的，合作内容包括产线的异物检测软件，如电池分容。在智能管理方面，昇科能源现在已经在全国30个城市实现落地，有80万辆新能源汽车，有1GWh以上的储能都在用我们的系统。
三、本征安全和固态电池
关于电池热失控反应的机理，其全部过程为第一个反应负极跟电解液反应生成还原气体，还原气体串到正极，攻击正极引发晶格反应，然后释氧，反应的一部分氧跑到负极，形成热失控时的最高温度。
在电池热稳定性失去的起始点，到热失控触发温度的过程中，我们第一次发现了还原性气体的攻击失效机制。在正极、负极、电解液混合情况下，低温段出现一个新的产热峰，产热峰会产生各种各样的还原气体，还原气体到正极会诱导正极从层状向尖晶石转变。把负极放到电解液之间，把所有的还原气体收集起来，观察它跟攻击性还原气体之间的关联性。结果发现起始温度最超前的是碳碳三键的还原气体，即诱导能力最强的还原气体。我们使用智能隔膜挡住这个气体，或者通过端盖把这个气体排出去，或者是用温控的毒化层反应掉，通过这些有针对性的调节方法，我们都可以防止热失控。
如果以上方法无法防止热失控，那就需要考虑触发温度到热失控时的最高温度。比如正极包覆防止释氧，然后电解液，因为氧是跟碳酸亚乙酯发生反应产生热，我们把碳酸亚乙酯去掉。第三是使用高安全隔膜，让串扰尽可能减少。第四是在电解液里面增加阻燃的添加剂。在这个基础上我们把所有的安全技术集成起来进行电池开发，把电解液增加聚合的单体进行原位固化，产生一个聚合网络，把电解液中的锂盐束缚住，抑制锂盐跟负极的反应。其好处在于电池的倍率性不会下降，它跟液态的性能一样，是我们现在可以实现产业化的电池。
在高性能全固态电池研发方面，我们以硫化物为主，兼顾一定的卤化物，走硫化物全固态电池技术路线。为此，我们首先建立了多尺度集成计算与表征平台。全固态电池也有热稳定性问题，也会释氧，通过进一步探究它的热失控机理，发现有两条失效路径，一条是气固反应，另一条是固固反应。气固反应是固体跟氧气反应，这跟锂离子电池有点相似，这条路径有一定的风险。但是还有一些硫化物固态电解质是固固反应，固固反应的温度就比较高，都在300摄氏度以上，其安全性大幅提升。
基于此，我们开发了全固态电池，解决正极材料、负极材料、电解质的问题。首先是正极材料，我们通过结构调控实现了Ni90高镍正极跟硫化物复合电极下容量达到235 mAh/g，1C下循环超过700圈，5C下循环超过5000圈。其次，我们创新性地提出了高容量、高稳定性的硅碳负极制备方法，制备硫化物全固态电池体系下的材料比容量超过了2400mAh/g，首次库伦效率超过了86%，现在已经开始了千吨级的产业化，目前的产业化是掺在石墨里面去用，其最大特点是成本低。最后是全固态电池的电解质隔膜，我们探索了卷对卷的干法电极等技术，研发了安时级的全固态电池，目前做到15Ah电池350瓦时/公斤，热箱耐受温度200度，工作区间是零下20度到120度，预计到2025年会到500瓦时/公斤。
总之，被动安全与安全电池，为我们的动力电池和储能电池研发提供了新方法。我们从主动安全出发，开发下一代智能电池，把安全技术、智能技术结合起来，预计在2025年实现智能安全电池的产业化目标。而在全固态电池方面，我们需要确定原理、工艺、设备，确保全固态电池在2027年到2030年之间达到规模产业化。
（作者系清华大学教授、中国科学院院士。本文根据作者在2023年新能源科学与交通电动化国际论坛上所做的演讲整理，发表时略有删减。）