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吴凯:让电池成为“六边形战士”

科技日报记者 操秀英

在2023年12月举办的吴凯为边中国国际供应链促进博览会上,智能汽车链展区展出的让电麒麟电池吸引了大量观众。

研制这款电池的池成总工程师就是宁德时代新能源科技股份有限公司(以下简称宁德时代)首席科学家吴凯。他带领团队成员从零开始,形战瞄准行业“痛点”、吴凯为边勇于创新,让电推出麒麟电池、池成凝聚态电池等系列产品。形战

2023年12月4日,吴凯为边国家卓越工程师和国家卓越工程师团队拟表彰对象公示,让电吴凯榜上有名。池成

近日,形战吴凯接受科技日报记者采访,吴凯为边讲述他在中国动力电池行业开拓奋进的让电动人故事。

拆掉电池“承重墙”

记者:此前您带领团队推出麒麟电池,池成在业内引起较大反响。这款电池有何特点?

吴凯:麒麟电池实际上是宁德时代第三代CTP电池包。CTP是英文Cell to Pack的简写,即电芯直接集成为电池包的无模组电池技术。相较于传统“电芯—模组—电池包”的三级结构,CTP技术减少了模组组装环节,将电芯直接集成至电池包,提高了电池系统的集成效率,提升了系统能量密度,极大降低了制造成本。

记者:麒麟电池与前两代CTP电池包相比最大的特点是什么?

吴凯:简单来说就是,麒麟电池的电池包内部结构被进一步优化了。我们把横纵梁、水冷板与隔热垫合三为一,集成为多功能弹性夹层。这样一来,电池的空间利用率被极大地提升了,电芯在使用过程中因轻微膨胀导致的压力也得以释放。由此,电芯可以自由“呼吸”,电池的可靠性提高不少,寿命也得到延长。

记者:您能否通俗地解释下电池包结构优化过程?

吴凯:电池的能量密度主要取决于两个因素:电池单体性能和电池包结构。电池包结构决定一个包里能放几个电池单体,电池单体放得越多电池包能量密度越高。因此,我们要想方设法在体积固定的电池包里放尽量多的电池单体。

这个过程类似于我们想办法在一座房子里放更多物品。此前,我们是在不改变房屋结构的前提下来实现该目标的,而现在我们是把房子里的一些墙拆掉,腾出更多空间,这样就能放更多物品。

记者:这似乎不是个很难想到的思路,为何此前一直没人尝试呢?

吴凯:知易行难。改变电池包的结构太难了。传统电池包多采用横纵梁结构,这种结构能够让电池包有较高的强度。

还拿房子来打比方。传统电池包里的横纵梁好比房屋内的承重墙。为了让房屋面积更大,在装修时可以拆除一些墙,但不能拆承重墙,因为它是要保证房子稳固、安全的。但是我们做的,恰恰是把电池里的“承重墙”——横纵梁拆掉。

记者:横纵梁被拆掉后,保证电池的稳定性是个难题。

吴凯:没错。不仅是拆除横纵梁,要想让电池包有更高的强度,还要对电芯排列、结构件设计等进行重新安排。比如,要制造强度更高的电池包,需要较厚的外包装材料。但这样的材料会占较多空间,留给电池单体的空间就小了,电池包的能量密度也会受到影响。该如何平衡,这是技术难题。

记者:您的团队是如何解决这些难题的?

吴凯:只能靠不停的尝试,从无数种可能中找到最优解。每次有新想法出来,我们团队就会立刻组织实验,进行仿真、打样验证。哪怕100次试验中只有一次得到了可靠的结果,那也表明这个想法是有可能实现的。就是抱着这样的信念,我们从无数次失败中走出来,研发出了麒麟电池。

挖掘并创造新需求

记者:伴随着新能源汽车产业的不断壮大,我国动力电池行业也迅速发展。您认为主要原因是什么?

吴凯:这首先得益于国家的政策。早在2009年,国务院就出台了《汽车产业调整和振兴规划》,安排资金支持新能源产业发展。同年,科学技术部、国家发展和改革委员会等启动“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”。此后,相关部门陆续出台产业发展规划和配套政策,给了行业和相关企业巨大信心,也引导了产业投资方向。

记者:国家在产业发展初期“扶一程”的举措至关重要,企业也抓住了机遇。

吴凯:是的。我们全行业协同努力,坚持技术创新,攻坚克难,解决了电动汽车各种“痛点”问题。

我们团队给国外某车企供应的第一块电池的续航里程才100多公里,而现在麒麟电池的续航里程能达到1000多公里。总体来看,过去10年,我国动力电池的能量密度大概提升了2倍至3倍,低温性能也得到了大幅提升。

记者:那么,您认为可以做出“我国动力电池技术已处于全球领先水平”的判断吗?

吴凯:是的。近年来,行业内新材料、新技术不断涌现,我国动力电池已经进入高质量发展阶段。同时,放眼全球,顶尖企业不断涌入这个赛道,竞争日趋激烈,中国企业要想保持竞争优势,只能依靠科技创新。

记者:科技创新的目标是什么?

吴凯:不断提高能量密度和降低成本,是我们动力电池领域科研人永恒的目标。要实现这个目标,我们就需不断探索新的电池结构、新的制造工艺和新材料,努力让电池成为“六边形战士”。

记者:怎么理解“六边形战士”?

吴凯:“六边形”指的是安全性、能量密度、循环寿命、充电倍率、耐温性、BMS(电池管理系统)控制等影响电池性能的六个方面。它们是一个有机整体,任何一个面出现问题,都会影响电池的整体表现。

记者:现在业内提出的固态电池、凝聚态电池等新技术方向,都是为了更好地打造“六边形战士”。

吴凯:没错。每种化学体系的电池都有比容量“天花板”,也就是里程极限。这是由电池化学属性决定的。想让电池成为“六边形战士”,就要不断突破原有体系,使用性能更优的材料。因此,我们要不断探索新的电池结构和设计,解决目前动力电池使用中的“痛点”问题。但仅做到这些是不够的,我们还要挖掘并创造新的需求。

记者:后者怎么理解?

吴凯:我们内部总是举一个例子。在初创时期,福特汽车曾进行市场调研,问消费者想要什么样的汽车,结果反馈是——他们想要一辆跑得更快的马车。这说明消费者有时候并不知道更好的产品是什么,也不知道一种新技术会带来哪些变化。

记者:从这个角度来看,我们在研发过程中实现的一些技术创新,或许能带动新的应用。

吴凯:确实如此。比如,在2023年4月举办的第二十届上海国际汽车工业展览会上,宁德时代发布了凝聚态电池。其单体能量密度高达500千瓦时/千克,是一款航空级电池,可被用于民用电动载人飞机上。在我们没有实现这个能量密度前,谁也不知道它能用在飞机上。

记者:随着电池技术的进步,它的应用空间也越来越大。

吴凯:天上飞的、地上跑的,都需要电池。电池还是重要的储能工具。它将融入社会生活的方方面面,未来人均可利用电池量将成为可再生能源利用水平的一个衡量标准。

练好基本功、发挥想象力

记者:您描绘的动力电池的未来充满无限可能,您也见证了我国动力电池行业的发展。您最初为何选择投身这个领域?

吴凯:我是“误打误撞”开始做动力电池研发的。我本硕就读于上海交通大学船舶系,当时一心想着要为祖国造大船。不过,毕业后我去武汉大学当老师了,教学生造船。一个偶然的机会,我的同学曾毓群邀请我一起创业,我们就这样走上了锂电池研发之路。

记者:您转行了,而且跨度还挺大。您一开始是不是面临很多困难?

吴凯:我们企业最初做的是消费电子产品的电池,而且很幸运被纳入了国外顶尖企业的供应链。在积累了近10年后,国家开始大力支持新能源产业。我们认为这是一个更广阔的舞台,所以成立了宁德时代,专注动力电池的开发。有些人说宁德时代横空出世,怎么发展这么快,其实不是这样。因为有了前些年在消费电子领域的积累,我们才能厚积薄发。

记者:如今在这个领域深耕多年,您有哪些感悟?

吴凯:我最深的感受是,一定要扎实搞研发、打磨产品,坚信想做的事一定能做成。锂电池是个竞争比较激烈的行业。在刚进入这个领域时,我们就面临和日韩巨头企业比拼。当时,我们是一家不知名的企业,开会时客户甚至连桌签都不给我们放。但我们凭着“初生牛犊不怕虎”的冲劲,以及过硬的产品质量,一路过关斩将,逐步赢得市场。

记者:动力电池行业目前最需要哪类人才?

吴凯:从专业上来讲,因为电池的研发生产涉及材料、机械、物理、电子、精密仪器等众多领域,所以我们最需要的是复合型人才。从个性特质上来讲,我希望年轻人富有创新活力、敢想敢干。

记者:宁德时代技术团队的人才结构是什么样的?

吴凯:我们内部有一支将近2万人的研发团队。其中,3000多人拥有硕士或博士学位。同时,我们还建立了一个开放的创新体系,与高校、科研机构、院士团队开展了深入合作。

记者:您会采取哪些措施激发人才的积极性和创新活力?

吴凯:宁德时代有一个创新研发平台,专门用来孵化内部的创意。哪个项目有难题解不开,可以在平台上集思广益。员工有好的创意,该平台也会给予资金等支持。一旦你提出的创意被采纳,不管你后期是否参与创意落实的工作,都能获得相应的奖励。我们有很多好点子都来自这个平台。

记者:最后,您有什么想对青年科研人员说的?

吴凯:我的办公室放了一个牌匾,上面写着“练好基本功、发挥想象力”,这是我们公司的研发文化。练好基本功的重要性不言而喻。创新不是空中楼阁。无论是在学习还是工作阶段,年轻人都要“沉”下去,把专业知识搞懂弄透。在此基础上,就像前面说的,我们要大胆想象、敢于创新。我希望年轻人在这两个方面一定要两手抓、两手都要硬。

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