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電池膨脹變化是鋰電池熱失控前的重要物理表征之一。通過(guò)對(duì)模組內(nèi)的壓力檢測(cè)，獲得膨脹壓力變化數(shù)據(jù)，并以此建立基于壓力變化的早期預(yù)警算法，顯得尤為重要。
為解決用戶的補(bǔ)能焦慮，車(chē)企和電池廠商正推動(dòng)充電倍率從1C-2C向4C-6C升級(jí)，對(duì)應(yīng)的SOC 30%-80%充電時(shí)長(zhǎng)從15min-30min縮減至5min-8min，電動(dòng)汽車(chē)正在走向超級(jí)快充時(shí)代。
11月1日，搭載寧德時(shí)代CTP 3.0麒麟電池的全球量產(chǎn)首發(fā)車(chē)型，純電MPV極氪009正式上市。
此次裝機(jī)的麒麟電池，采用高鎳三元材料+硅基負(fù)極的組合，系統(tǒng)能量密度達(dá)255Wh/kg，支持4C倍率快充。
其他動(dòng)力電池企業(yè)去年至今陸續(xù)推出的代表快充產(chǎn)品包括：
中創(chuàng)新航“800V高壓平臺(tái)快充鐵鋰/三元電池”：已裝機(jī)小鵬G9車(chē)型，其三元版電池能量密度達(dá)到250Wh/kg，續(xù)航里程未來(lái)可突破1000km。
蜂巢能源“蜂速4C快充電芯”：最新一代產(chǎn)品容量165Ah，能量密度大于260Wh/kg，支持 800V平臺(tái)，預(yù)計(jì)2023年量產(chǎn)。
孚能科技“SPS解決方案”：支持 800V平臺(tái)和4C 快充，充電 10 分鐘續(xù)航400 公里。
欣旺達(dá)“超級(jí)快充電池SFC480”：充電功率高達(dá)480kW，同樣實(shí)現(xiàn)充電10分鐘續(xù)航超400公里。
巨灣技研“XFC 6C超充電池”：8分鐘充電0-80% SOC，5分鐘充電30%-80% SOC，已裝機(jī)廣汽埃安V PLUS 70車(chē)型。
可以看出，在頭部電池企業(yè)的帶動(dòng)下，快充電池有望在2023年啟動(dòng)密集裝車(chē)配套。
然而，在消費(fèi)者的續(xù)航、補(bǔ)能焦慮被逐步化解的同時(shí)，安全焦慮仍然是繞不過(guò)去的“難關(guān)”。由于高能量密度與安全性之間此高彼低的“蹺蹺板”關(guān)系，性能升級(jí)后的新一代電池為安全保障帶來(lái)的壓力也越來(lái)越大。
電動(dòng)汽車(chē)要實(shí)現(xiàn)超級(jí)快充，需要從電壓和電流兩個(gè)方向進(jìn)行提升。400kW級(jí)快充，對(duì)應(yīng)的充電電壓需要升至800V，峰值電流500A+；小鵬汽車(chē)G9的480kW超充，在800V架構(gòu)下，峰值電流更是達(dá)到了670A。
大電流讓電池內(nèi)的鋰離子用盡可能快的速度從正極脫出，嵌到負(fù)極的層狀結(jié)構(gòu)中?？焖俪潆娊o電池負(fù)極帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)，如果負(fù)極來(lái)不及消化，那么鋰離子將會(huì)在負(fù)極沉積析出，與電解液發(fā)生副反應(yīng)。
快充過(guò)程中，電池內(nèi)部短時(shí)間內(nèi)大量升溫，將加劇上述副反應(yīng)，導(dǎo)致電池內(nèi)壓加大。壓力達(dá)到一定程度，電池開(kāi)始膨脹，如膨脹力度超過(guò)外殼和泄壓閥(保護(hù)閥)的承受強(qiáng)度，就會(huì)發(fā)生漏液、起火，甚至爆炸。
可以發(fā)現(xiàn)，上述過(guò)程中，電池膨脹變化是鋰電池?zé)崾Э?，甚至爆炸前的重要物理表征之一?/strong>
而當(dāng)下大熱的硅基負(fù)極與高鎳材料，都會(huì)加劇鋰電池的膨脹（硅材料體積膨脹率超300%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳材料）。
對(duì)電池膨脹進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
目前，鋰電池?zé)崾Э氐念A(yù)警方向主要集中于溫度探測(cè)與氣體探測(cè)。然而，往往在發(fā)生冒煙之前，鋰電池就會(huì)產(chǎn)生明顯的膨脹形變。
由于單體鋰電池膨脹會(huì)在鋰電池組內(nèi)部造成極大的壓力變化，因此通過(guò)對(duì)模組內(nèi)的壓力檢測(cè)，獲得膨脹壓力變化數(shù)據(jù)，并以此建立基于壓力變化的早期預(yù)警算法，便顯得尤為重要。
高工鋰電獲悉，鈦深科技（TacSense）獨(dú)家研發(fā)生產(chǎn)的壓力分布測(cè)量系統(tǒng)，將壓力傳感器植入電池模組內(nèi)部，通過(guò)BMS獲得實(shí)時(shí)的內(nèi)部壓力數(shù)據(jù)，可有效判斷電池的老化程度及推斷內(nèi)部析鋰狀態(tài)，在產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)之前及時(shí)進(jìn)行預(yù)警。
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壓力分布測(cè)量系統(tǒng)由壓力薄膜感測(cè)片、壓力采集主機(jī)和采樣系統(tǒng)軟件三部分構(gòu)成，具備以下特點(diǎn)：
超薄、柔性、可彎折的壓力薄膜感測(cè)片，單片最高16384個(gè)感測(cè)點(diǎn)，精準(zhǔn)測(cè)量接觸面的壓力分布狀況；
接觸壓力以2D或3D彩色壓力分布云圖的方式顯示；
壓力分布數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，可導(dǎo)出進(jìn)行二次數(shù)據(jù)分析或開(kāi)發(fā)。
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兩家不同電池企業(yè)三元電芯的實(shí)時(shí)壓力變化圖像
由于采用的是超薄膜柔性感測(cè)片，其可以加載的位置，以及與BMS芯片的走線連接方式非常靈活，相比于以往受體積所限的壓力檢測(cè)儀器，具備強(qiáng)大的可集成性與兼容性，可以對(duì)電芯與模組端板之間實(shí)現(xiàn)全方位、分布式、無(wú)死角的壓力監(jiān)測(cè)。
對(duì)于電池局部析鋰出現(xiàn)鋰枝晶的情況，陣列分布式膨脹力檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)“定點(diǎn)診斷”、“對(duì)癥下藥”，精準(zhǔn)識(shí)別和分析析鋰問(wèn)題。
在快充場(chǎng)景下，壓力分布測(cè)量系統(tǒng)可根據(jù)膨脹力變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)充電電流，提高充電效率的同時(shí)保障電池安全、延長(zhǎng)電池壽命。
鈦深科技的思路是做電池的“觸覺(jué)表皮”，完善鋰電池的“五感器官”，推進(jìn)電池包智能化。
實(shí)驗(yàn)室-產(chǎn)線-裝機(jī)全鏈條應(yīng)用場(chǎng)景
僅從熱失控檢測(cè)來(lái)概括鈦深科技?jí)毫Ψ植紲y(cè)量系統(tǒng)的功能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。作為一家專(zhuān)注研究力學(xué)傳感的企業(yè)，鈦深科技的目標(biāo)是將力維度監(jiān)測(cè)嵌入電芯研發(fā)、生產(chǎn)、裝車(chē)、梯次利用的全場(chǎng)景。
研發(fā)仿真
膨脹力演變曲線，可以與溫度分布、離子濃度分布、電流電壓趨勢(shì)一同作為仿真數(shù)據(jù)報(bào)告的重要組成部分，對(duì)正負(fù)極、電解液、隔膜等關(guān)鍵材料的配方形成有效反饋。
結(jié)構(gòu)方面，根據(jù)模組模型內(nèi)部的應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，可判斷模組強(qiáng)度是否符合要求。尤其對(duì)于刀片電池CTP/CTC等新一代集成設(shè)計(jì)，難以進(jìn)行常規(guī)的物理限制或預(yù)留膨脹間隙處理，更需要在前期完成力維度的精準(zhǔn)仿真。
單體電芯膨脹力測(cè)試
電池產(chǎn)線
化成工序中，如流程錯(cuò)誤/處理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致太多水分和雜質(zhì)進(jìn)入電芯。使用壓力分布測(cè)量系統(tǒng)，不僅能幫助檢測(cè)端剔除不合格電池，還能夠?qū)毫Ψ植紨?shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給化成壓力機(jī)臺(tái)，提升產(chǎn)線點(diǎn)檢效率、調(diào)機(jī)效率、產(chǎn)品良率。
化成工序檢測(cè)
其六通道化成測(cè)試系統(tǒng)方案可以實(shí)現(xiàn)：
同時(shí)檢測(cè)化成設(shè)備前、中、后段共6個(gè)位置的壓力分布及壓力數(shù)據(jù)；
分區(qū)式傳感器設(shè)計(jì)，單張壓力薄膜感測(cè)片同時(shí)檢測(cè)多達(dá)20個(gè)電芯；
抓取并統(tǒng)計(jì)電池四角及四邊壓力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判定，一鍵生成化成設(shè)備壓力分布測(cè)試報(bào)告。
此外，對(duì)于熱壓貼合設(shè)備，壓力分布測(cè)量系統(tǒng)可以替代傳統(tǒng)壓敏紙，實(shí)時(shí)檢測(cè)熱壓頭的壓力分布情況，量化判定受壓壓力均勻度。
對(duì)于輥壓設(shè)備，壓力分布測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)測(cè)出軋輥的平行度、同軸度、圓柱度異常，并可以幫助進(jìn)行軋輥兩端的縫隙調(diào)節(jié)測(cè)試。
總體而言，目前通過(guò)電壓、電流、溫度三個(gè)數(shù)據(jù)維度去監(jiān)控動(dòng)力電池從研發(fā)到裝機(jī)的安全和健康狀態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。不從力維度深入了解電池變化機(jī)制，無(wú)法推進(jìn)下一代高能量密度電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
鈦深科技的壓力分布測(cè)量系統(tǒng)，已經(jīng)覆蓋了電池仿真研發(fā)，及電芯卷繞/化成、模組pack等工序檢測(cè)環(huán)節(jié)，并可滿足裝機(jī)后長(zhǎng)期循環(huán)充放電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的場(chǎng)景需求。
未來(lái)，鈦深科技還將進(jìn)一步延伸向電池后市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的殘值評(píng)估，全方位改變電池研發(fā)、制造、運(yùn)營(yíng)的整體圖景。
100%自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)解決“卡脖子”
此前，市場(chǎng)上的壓力檢測(cè)核心技術(shù)，尤其是壓力傳感器幾乎均來(lái)自國(guó)外公司，鈦深科技的壓力分布測(cè)量系統(tǒng)，則實(shí)現(xiàn)了從元器件到軟件算法100%自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)化替代。
其核心壁壘“超薄膜柔性感測(cè)片”黑科技源自于鈦深科技首席科學(xué)家在美國(guó)任教時(shí)所提出的，不同于現(xiàn)有電阻式、電容式和壓電式的，第四代傳感機(jī)理-界面離電觸覺(jué)傳感技術(shù)。
然而，在新能源產(chǎn)業(yè)這條賽道上，喪失先機(jī)的美國(guó)并沒(méi)有足夠優(yōu)良的、可供新一代鋰電池技術(shù)成長(zhǎng)的土壤。中國(guó)動(dòng)力電池過(guò)去10多年在研發(fā)領(lǐng)域所積累的knowhow和經(jīng)驗(yàn)，所能給到的驗(yàn)證環(huán)境及強(qiáng)大支撐，是國(guó)外不可能具備的。
另一方面，觸覺(jué)傳感技術(shù)是相關(guān)部門(mén)點(diǎn)名的29項(xiàng)核心“卡脖子”技術(shù)之一，迫切需要引進(jìn)先進(jìn)人才進(jìn)行突破。
多方面因素交匯下，創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)認(rèn)為國(guó)內(nèi)才是加速離電觸覺(jué)傳感技術(shù)產(chǎn)業(yè)化落地的最好環(huán)境。回國(guó)后，鈦深科技深度參與國(guó)內(nèi)電芯廠商、整車(chē)廠、測(cè)試機(jī)構(gòu)等全產(chǎn)業(yè)鏈的力維度監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景，于產(chǎn)測(cè)數(shù)據(jù)端積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
其正式推出的全球首代第四代柔性離電觸覺(jué)傳感技術(shù)（FITS）信噪比高達(dá)4000:1，相比傳統(tǒng)壓感技術(shù)提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)；受益于簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及獨(dú)家材料優(yōu)勢(shì)，傳感器相比國(guó)外競(jìng)品成本降低最多達(dá)90%；并更貼近本土的電池使用場(chǎng)景。
鈦深科技向高工鋰電分享到，團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是做中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的壓力監(jiān)測(cè)工具，讓其成為新一代動(dòng)力電池行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，打通電池全生命周期，賦能產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)，最終可以影響全球，從而使電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和動(dòng)力電池一樣，成為中國(guó)領(lǐng)跑?chē)?guó)際新能源賽道的一張名片。
編輯：黃飛
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工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論