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Tech Talk | 美克生能源-关于锂枝晶生长模拟引入电化学模型硬件高速求解器,及其技术革新的意义

发布者:美克生能源发布时间:2022-03-23

近日,美克生能源锂枝晶生长模拟正式成功,这是美克生能源继锂电池电化学硬件求解器跑通后的又一重大科研突破,也是全球首次将锂枝晶生长模拟应用于商用锂电池管理系统。

 

电化学储能技术日益成熟,然而锂枝晶的生长模拟始终是行业的一大痛点。

 

锂枝晶是如何产生的?锂枝晶的生长对锂电池有什么影响?为什么锂枝晶生长模拟在商用市场上始终未有应用?锂枝晶生长模拟的成功可以解决锂电池的哪些问题?锂枝晶生长模拟的应用对锂电池管理系统有什么意义?

 

本期的Tech Talk,我们邀请到了美克生能源算法工程师Flynn,和大家分享如何突破算法禁锢,成功实现锂枝晶生长模拟并将其应用于商用锂电池管理系统。

 


01 锂枝晶的生长对锂电池有什么影响?

 

Flynn:锂枝晶是锂电池在充电过程中锂离子还原时形成的树枝状金属锂,但是锂在负极侧出现时锂的形态不一定是锂枝晶,统称为析锂。在过充电或快速充电的情况下,由于析锂会致使锂电池中的可用锂容量减少,造成锂电池的容量衰减,锂枝晶的生长在锂电池内部隔膜处产生电击穿或者物理击穿,最终导致锂离子电池热失控。总的来说,锂枝晶的产生和生长对锂电池系统的安全性、可靠性和经济性有严重影响。

 

02 为什么锂枝晶生长模拟技术难以应用于商用锂电池管理系统?

 

Flynn:锂枝晶生长模拟技术此前很长一段时间停留在学术阶段,这是因为锂枝晶生长模拟需要反馈锂电池内部各处的锂浓度场、电场等物理场的分布情况。目前商用的电池管理系统大多使用等效电路模型,只能反馈出电池的宏观状态,无法提供电池本征的微观物理化学量,从而无法进行锂枝晶的生长模拟。

 

在美克生能源的锂电池电化学模型硬件求解器跑通以前,电化学全阶模型的计算所需时长多为分钟或秒量级,无法满足商用电池管理系统至多100毫秒的响应时间要求。而在美克生能源跑通锂电池电化学模型硬件求解器后,将单次单电池电化学求解器的计算响应时间降至0.1毫秒左右,这一重大突破使得基于电化学模型的电池管理系统这一构想逐步成为可能。

 

03 锂枝晶生长模拟是如何实现的?


Flynn:锂枝晶生长模拟的实现主要依赖于我们自研的算法,我简单介绍一下模拟过程:

 

如果锂电池其负极中点处在2050秒(静置状态)至2150秒(过充状态),此时锂电池正极100微米,隔膜25微米,负极100微米。基于电化学模型,我们可以在软件端10秒内、硬件端0.1秒内(市场上现在通用计算时间为90秒左右)就得到电池在外电流3600秒下的电压变化和内部各项物理化学量的变化,此时的锂沉积与锂枝晶生长如图所示。

 

 

 

 

三角标记处为正在生长的锂枝晶

 

 

锂枝晶生长的成功模拟,对于锂电池的安全有划时代的意义。该模拟验证了电化学机理模型在电池管理系统中的理论地位,帮助市场更深刻理解锂枝晶的产生和生长。将该模拟应用于电池管理系统,可以起到监控电池状态、预防锂枝晶生长的作用,从电池内部保障用电安全。

 

04 新一代商用锂电池管理系统“革命”意义何在?

 

Flynn:随着锂离子 (Li+) 电池在家用电器、汽车、航空航天、清洁能源和国防工业等各领域中的广泛应用,对其进行精确建模和仿真至关重要。目前大多数电池系统由电池和电池管理系统(BMS)组成,而电池管理系统一般又由硬件和软件组成,用于控制电池充放电,保证电池的可靠、安全运行。

 

如果要进行电池精准管理,必须知道电池的内部状态,包括抽象量(例如充电状态 [SoC] 和健康状态)和物理化学量(例如电势和浓度)。

 

对于抽象量的计算,随着传感器精度的提升和状态观测器等算法的应用,等效电路模型能够基本满足最基础的经济性应用需求,迎合了上一代电池管理系统的理念。

 

但是随着锂电池安全事故的频发,给市场从业人员敲响了警钟。从技术角度来看,使用抽象量计算的电池管理,根本无法从根源解决锂电池的安全性问题。

 


 

2021年北京市南四环永外大红门储能电站发生火灾事故

 


2021年澳洲储能电站起火

 


2018年韩国储能电站起火爆炸

 

与上一代基于等效电路模型等归纳性模型的简单参数拟合,和基于传感器灵敏度被动警示的电池管理系统相比,锂电池电化学模型基于电池内部机理,可更为准确地预测锂电池的寿命衰减,有效预防锂电池安全事故的发生,精准评估锂电池真正的安全运行工况范围,为电化学储能在“双碳”目标下向规模化发展,提供了有力抓手。

 

此次在硬件上突破电化学模型计算速度的桎梏后,我们将逐渐开始搭建基于电池物理化学量的电池管理系统,通过云边协同搭建一套锂电池系统管理经营机制逐步推进锂电池管理“革命”。未来,我们的算法将以微观本征量作为电池管理的底层逻辑,通过快速计算得到电池内部状态量的变化模拟,并通过模拟预测电池内部状态,包括锂枝晶生长、SEI膜增厚、电解液分解、晶格塌陷、活性锂损失、热失控等情况,从而能够更有目的性、预测性、经济性地进行电池管理。

 

在科研领域,任何一个难题都有可能通过技术的突破创新找到最优解。目前,美克生能源电化学模型硬件求解器的算法已经达到P2D阶段,随着锂枝晶生长模拟、硬件求解器的持续迭代,将帮助更多企业从根源上解决商用锂电池管理系统安全性、可靠性及经济性的难题,推动电化学储能技术的不断革新。

 

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