未來(lái)全固態(tài)電池，真得不需要冷卻嗎？

未來(lái)全固態(tài)電池，真得不需要冷卻嗎？

----高效節(jié)能熱管理系統(tǒng)仍是當(dāng)下發(fā)展趨勢(shì)

鋰離子電池，通過(guò)一定數(shù)量串并組合，裝配在汽車(chē)上，成為動(dòng)力電源的哪一刻，高成本、大體積、高質(zhì)量、溫度適應(yīng)敏感、熱失控安全等問(wèn)題，就一直困擾著我們。

全固態(tài)電池能提供更好的安全、更大的容量、更快的充電，被公認(rèn)是下一代電池技術(shù)路線(xiàn)的發(fā)展方向。

韓國(guó)的三大電池巨頭聯(lián)手；日本23家車(chē)企、電池、材料公司、科研院校單位聯(lián)合；歐美研發(fā)規(guī)劃；德國(guó)大眾豪擲1億美元投資電池技術(shù)公司，他們之所以瞄準(zhǔn)和布局固態(tài)電池，并且加速核心技術(shù)攻克走向商業(yè)化，都是想在未來(lái)動(dòng)力電池市場(chǎng)竟?fàn)幹袚尩孟葯C(jī)。

全固態(tài)電池“讓各路英雄竟折腰”，其中作為電池的保鏢，安全保障、功能保障的熱管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，又該是什么樣的景象呢？

豐田提出全固態(tài)電池不需要冷卻

前期，豐田在各種不同場(chǎng)合，多次闡述其研發(fā)的全固態(tài)電池特點(diǎn)，除了重要的高安全特性，還解決和滿(mǎn)足了長(zhǎng)續(xù)駛里程需求，快充電特性，同時(shí)，還不需要冷卻，體積可以縮減一半。（下圖為目前應(yīng)用典型的電池系統(tǒng)冷卻板體積）

在早期，豐田執(zhí)行副總裁勒羅伊(Didier Leroy)這樣描述，豐田在固態(tài)電池技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面處于領(lǐng)先地位，可以讓電池更安全，體積變的更小。

“Executive Vice President Didier Leroy believesToyota is the leader in solid-state battery technology in terms of intellectualproperty. He sees them as a "game-changer" with the potential todramatically improve driving range.

Leroy said：Toyota's solid-state batteries are based onlithium ion technology but can operate at a higher temperature than currentlithium ion batteries. They do not require cooling and thus are much smaller.”

讓我們掀開(kāi)全固態(tài)電池關(guān)鍵指標(biāo)一角，探究一下這些特點(diǎn)生成原因。

全固態(tài)電池耐熱特性、低溫特性、倍率特性突出

來(lái)自Kentaro YOSHIDA and Keizo HARADA “All-Solid-StateLithium Batteries with Wide Operating Temperature RangeMitsuyasu”對(duì)基于硫化物全固態(tài)電池做的幾項(xiàng)測(cè)試（主要針對(duì)小容量電池的測(cè)試）：

高溫耐受性測(cè)試：從下圖示，電池在高溫170℃規(guī)定的充放電（The test conditions were a constant current of0.3 mA charge/discharge, charged to 0.3 mAh, and discharged to 3.0 V）、循環(huán)條件下，可以觀察到，容量在高溫下，非常穩(wěn)定，變化很小，也就是說(shuō)，副反應(yīng)并沒(méi)有顯著的增加。

低溫耐受性測(cè)試：從下圖示，電池在低溫-40℃規(guī)定的充放電（The test conditions were a constant current of0.02 mA, charged to 0.02 mAh, and discharged to 3.0 V）、循環(huán)（試驗(yàn)條件為恒流0.02mA，充至0.02 mAh，放電至3.0 V）條件下，可以觀察到，容量因低溫影響，也是非常小的，仍然有很穩(wěn)定的放出和充入。

放電倍率特性：如下圖示，常溫下，在24C高倍率下放電，容量為低速率0.5C下的89%，說(shuō)明該電池具有優(yōu)良的功率特性。

上述測(cè)試條件，相比現(xiàn)在的商業(yè)化動(dòng)力電池確實(shí)還有很大的局限性和差距，但是固態(tài)電池從娘胎里帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)還是非常明顯的，在如此高的溫度條件，表現(xiàn)如此穩(wěn)定，安全性可見(jiàn)一斑。

對(duì)于一般液態(tài)電解質(zhì)電池，其策略保護(hù)，高溫＞50℃進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)；70℃進(jìn)入熱失控風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。低溫環(huán)境， ＜0℃限制充電電流。電池在很窄的15～45℃范圍內(nèi)才能穩(wěn)定的工作。同時(shí)，為了保證電池系統(tǒng)的壽命，溫差范圍要求控制在＜5℃。

其實(shí)，熱管理的作用，首先是保障電池安全，其次才是保障特性功能的最好發(fā)揮。如果電池本身在高低溫下就很安全。哪么，對(duì)熱管理的需求會(huì)相應(yīng)降低。

全固態(tài)電池大大降低了對(duì)冷卻系統(tǒng)的依賴(lài)

有資料顯示，全固態(tài)電池耐熱性在（80～120℃）、阻燃性（200℃），均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有應(yīng)用的液態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池。這主要與電解質(zhì)形態(tài)和結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系。

全固態(tài)電池使用的固體電解質(zhì)，是區(qū)別于液態(tài)有機(jī)電機(jī)解質(zhì)的主要特征材料，現(xiàn)在主要研究的有兩種類(lèi)型，氧化物和硫化物。目前包括豐田的全固態(tài)電池，主要是基于硫化物類(lèi)型全固態(tài)電池研究。

現(xiàn)在應(yīng)用的液態(tài)電解質(zhì)電池，也并非都是裝備有水冷板的熱管理系統(tǒng)。早在日本Nissan leaf EV車(chē)上，一直延續(xù)著沒(méi)有冷卻板，依靠電池殼體自然冷卻的產(chǎn)品設(shè)計(jì)（如下圖）。

對(duì)于EV電池系統(tǒng)，主要滿(mǎn)足較低倍率的充放電功率需求，在冷卻方面對(duì)熱管理表現(xiàn)的沒(méi)有功率型的HEV明顯。但是在低溫環(huán)境，環(huán)境適應(yīng)性是得不到滿(mǎn)足的。所以說(shuō)，對(duì)于全溫度的工況需求，更多的增加了水冷板式的熱管理系統(tǒng)。

這本身也是矛盾的。現(xiàn)有龐大的水冷系統(tǒng)，從成本角度，體積方面，都是不利的。

全固態(tài)電池耐熱性溫度范圍放大，安全性得到了保障。削弱了對(duì)水冷系統(tǒng)的依賴(lài)性。契合了解決成本和體積矛盾的想法。

盡管全固態(tài)電池如此誘人，但是，還不能停止現(xiàn)有熱管理技術(shù)的發(fā)展的腳步。

豐田表示，其全固態(tài)電池仍需10年的發(fā)展和成熟

全固態(tài)電池要想全面大批量投入生產(chǎn)和應(yīng)用，還需要很長(zhǎng)的一段時(shí)間。

豐田表示：“我們確實(shí)說(shuō)過(guò)，希望在本世紀(jì)20年代初提供固態(tài)電池。但事實(shí)上，這不會(huì)是大規(guī)模生產(chǎn)的基礎(chǔ)上。我們將小批量的試產(chǎn)開(kāi)始，用于試點(diǎn)項(xiàng)目，我們永遠(yuǎn)不會(huì)在客戶(hù)身上做實(shí)驗(yàn)。2030年，可能是更現(xiàn)實(shí)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)”。下圖是豐田技術(shù)路線(xiàn)規(guī)劃表。

熱管理高效和節(jié)能，需要繼續(xù)探索和研究

從Tesla車(chē)型演變案例觀察分析：

Tesla產(chǎn)品，一直以來(lái)引起地球人足夠的好奇。其設(shè)計(jì)的精妙也確實(shí)堪稱(chēng)典范。正如Elon Musk 對(duì)團(tuán)隊(duì)的管理和要求一樣，在他們眼里“沒(méi)有做不到的事情”。

在熱管理功能單元組合中，透過(guò)產(chǎn)品的演變狀態(tài)，可以看出一些端倪。

來(lái)自Tesla 官方論壇中，也對(duì)model 3 熱管理的演變做了闡述：

“What you may have heard is there is noresistive heater, like the S/X. Instead, Tesla uses the motor as the heater - avery clever design. I wouldn't be surprised if they move the M3 system to theS/X in the future. While it does saves a little amount of money, it also shouldincrease the range a little, and improves the overall system reliabilityslightly as well.”

“There are at least two types of batterymanagement; temperature and cell balancing. The Model 3 employs both of these.The temperature management is a little different than that in the S and X. The3 doesn’t have a dedicated battery heater. Instead it generates heat by sendingpower to the motor (even when not moving) this heat is channeled to the batteryusing a fluid. All three models use a heat pump for battery cooling. All threemodels use a cell balancing algorithm as well”

關(guān)于電池加熱形式的變化，由PTC加熱改變?yōu)槔?a target="_blank">電機(jī)接通電流零扭矩加熱，其技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)有待于后期進(jìn)一步研究分析，現(xiàn)在還不能量化和說(shuō)清楚。

其中一點(diǎn)是肯定的，提高熱系統(tǒng)效能的同時(shí)，一定是做到了降本。是雙贏的結(jié)果。這種“沒(méi)有做不到”的創(chuàng)新精神，值得學(xué)習(xí)。

結(jié)束語(yǔ)

全固態(tài)電池通過(guò)不斷的研究，商業(yè)思路已非常清晰。其中，配套的熱管理系統(tǒng)，也需要同步的跟進(jìn)和發(fā)展?！安恍枰鋮s”的說(shuō)法，難免有斷章取義之嫌，我想豐田應(yīng)該也不是這個(gè)意思，一定是有所限，有所指，留得后期認(rèn)真思考和啟發(fā)。

同時(shí)，在目前的熱管理應(yīng)用方面，做到高效、節(jié)能，仍然有很多工作需要做：從終端的冷卻板結(jié)構(gòu)，到管理的控制技術(shù)，電池溫度精準(zhǔn)采集傳感技術(shù)、溫度異常熱失控主動(dòng)防御技術(shù)，管理策略等等，都在等著我們研究和分析。