5月23日，CIBF2018 第十三届中国国际电池技术交流会展览会在深圳会展中心开幕。美国威斯康辛大学曲德杨博士在技术交流会上发表主题演讲。以下是演讲正文：

大家下午好！非常感谢组委会给我这次机会来和大家一起交流我们做的高通量筛选电解质的工作，我报告的主要工作会集中在关于高通量方法的建立以及怎么分析数据。高通量的筛选方法不是研究电池的方法，是非常朴实的方法，作为研究电池的电解液也可以，如果说研发一个苹果汁也可以，它是非常朴实的、优选的方法。

平常咱们有几种实验方法，有一种是单一变量的方法，这是平常大家做很多的，比如很多科学家，还有工程师在研究一个体系的时候，很多情况是把其他的地方、其他的变量都不变，就变一个变量，然后我们就来研究一下，比如研发新的材料，主要是在新材料上，比如把钴的量变一变，其他的就是控制不懂。这是一种研究方法。这种研究方法的好处是Single factor Experiment，你可以选择一个变量，去研究这个变量在整个体系里面所起的作用。实验非常简单，而且可以非常快速的完成，这个方法有一个致命的弱点，其他的变量都保持不变，只变一个变量，它不能保持其他变量的关系。很多人做科学研究，我变一个变量，其他不变，我找到一个固定值，然后再变另外的变量，找到最好的值，一共有三个变量，最后找到最好的状态，这不是你最好的状态，什么原因呢？如果三个变量没有相互关系，这个实验方法是对的，如果三个变量之间有互相制约，互相有联系，你所得到的并不是最佳状态。

很多年前提出正交试验法，这个试验法在上小学的时候就听到过，所以这不是一个新的实验方法。当然，这个试验方法在最近有很长足的发展。这个方法不是很新的方法。如果有很多变量，可以同时让这些变量同时变动，不是随意变动，而是统计的方法计算，让它同时变动，通过统计的方法去计算它最佳的状态。在这个方法里面，它不光能够体现出来每一个变量对你最后体系所起到的作用，而且它能够研究不同的变量之间的相互关系。这是非常好的研究方法。现在目前很多产品的开发上，以及生产过程的优化上起了很大的作用。正交试验法得到的结果是它会给你一个方向，你找到最佳的范围。你的最佳状态一定在这个范围里面，最后要在很小的范围里面找到最佳状态。很多条件下不一定找到最佳的状态，但是你找到的一定是接近最好的状态，这就是我们所说的正交试验方法。你所得出的数据会要经过统计的计算才会得出这个结论，到大家不要问我最后的数学公式，我也不知道。我学化学，我找了找物理系的研究生做这方面的工作，他计算出来的试验方法，我今天讲的是结论。你想知道里面的公式以后可以看我们发表的论文，因为刚刚答辩，很多东西正在写。

我们刚才讲了怎么做Single factor Experiment和正交试验方法，下面讲正交试验的步骤。

第一步决定一个模型，模型很重要，模型最简单的是Fractional，我把所有的状态都考虑进去，比如有两个变量，要研究它的两个变速，一共有四组试验。如果是两个变量，三个变化区域，那就是8组试验，这个可以覆盖广泛的区域。李博士讲1.2万组试验，最后可能达到1200组试验，这个试验以后，很明显这个试验不可能做，太多，就需要把试验的数目减下来，不是随便减，不是随机拿掉一半。也要通过数学去算，最后得到Fractional，我可以通过这个统计方法算，把哪几个拿掉，1/3也可以，不断的统计学发展有很多不同的模型出来，比如Taguchi是非常常用的，还有Response Surface也是常用的，还有Mixture etc。

你决定模型以后，你要选择Factors，就是变量，比如测电池，比如电极，今天早上我们听到电极的厚度，孔隙率，这是你的Factors。比如我们这个电解质里面，不同溶剂、不同的盐，这个决定以后要看变量的变化区域。比如今天早晨听到的电极厚度从50微米、60微米、90微米，这就是你的区域。你从60-90一共有三个层级，有多少层级必须确定。你的Response是什么，是什么性能，比如高电位充电或者循环性能，这是你的Response，这些做好之后开始做试验，做完了之后加起来，放到统计里面去计算，最后你就会得到你所想要的结果。

实例，电池是用石墨做负极，用NMC3：3：3，也就是1：1：1作为正极，没有新的化合物，没有新的东西，所有的东西必须是你能够买到的，这是一个工业项目，不可能实验室里有一个添加剂加进去，不是这个情况。你限制在EC、PC、EMC、DMC、DEC、common salts、common additives e.g. Vc etc.，反正不能有新的添加剂在里面，你要达到什么Performance requirement：-30摄氏度 cold cranking，性能不能受到影响。我们用正交的方法去开发这个电解液。

我们选择的是Mixture Design，每种模型一定有假设，你所要求的系统应该跟它的假设是一样的，这样你的模型就比较正确。混合模型的假设是什么东西？所有的变量一定是对称的，他们之间是相互关联的，而且所有的变量加起来一定是等于100%，这是很符合我的电解液的体系，因为不管是EC、DMC、PC加起来不能超过100%。第二个，Response技术，电池的性能，比如倍率性能、循环性能并不和每个组分的影响，而是对它之间比例的影响，这很符合电解液的研发，因为电解液里面主要是不同溶剂之间的比例，而不是对每个溶剂，这很符合混合设计的模型。

接下来按照模型建立我们的试验，这个模型里面还有一个小模型Extreme Vertices模型，混合模型有一种可能是一种组分，其他的是1：0：0，也是100%。不可能只有一种电解液，一定是混合溶剂，因此，这种情况大家可以看到中间橘黄色的圈圈，如果是标准的混合，就应该是三角形，这是三个系统。三角形的每个角上，每种组分的100%，但是不可能到100%，所以实际上研究的区域是橘黄色的区域。它是混合溶剂，不可能是单一溶剂。我们用Extreme Vertices的模型，如果只有三种变量，就是一个三角形，如果有四种变量，那就是一个立方体。如果是5种变量、6种变量，模型就非常复杂。我们一共有8个变量，我们选择两个层级，比如EC百分比会选择在低和高之间，这个是保密的，没有告诉大家，大家可以想办法把比例找出来。比例找出来的根据就是这个表格，大家很清楚，为什么用混合溶剂？你不要管分子结构，实际上就是它的介电常数和熔点。为什么需要高熔点或者低熔点的溶剂，大家都是业内的精英，很清楚，不用多说。因此，在选择高低的时候完全是根据这个表格选择的。这点需要有一些经验。

经过选择以后，通过试验设计出来以后，最后设计了43组不同的试验，进行了5个重复试验，我希望我的试验非常精确，重复5个试验，一共215组 coin cells。做好以后就去测，因为我们的测试是根据欧洲关于皮卡的测试，每个国家甚至每个OE都有一种专门的测试方法，每个不一样，也没有什么道理。反正选一种，主要是看你市场在什么地方，我们的选择是欧洲的测试方法，原因很简单，我们做试验是铅酸电池厂，欧洲一直说要用锂离子电池取代铅酸电池作为电池打火，现在的问题是负30度的时候打不着，要发展电解液来用便宜的锂离子电池，我们没有用新的材料或者大家说的高镍之类的，而是用最普通的来做到电池打火。电解液尾混发展很快，这个天池有可能作为铅酸电池作为尾混（音）。

我选了两张比较有代表性的，一个是负30度的低温打火，一个是60度的放电的Capacity的图。在你们的右手边有EC、PC、EMC、DMC和DEC，实线代表EC，绿色。旁边还有一个东西是它的百分比，百分比保密，我拿掉了。这点的百分比，我们做了很多试验，43组试验，210个电池，测试完毕以后，我就得到了一个参考点，这个参考点是每个曲线的交接的那一点。这点实际上是我这组试验的计算机算出来的最佳点，但是这点我们是不是需要应用，因为我选择的范围不一定对。最明显的EMC，EMC是绿色的虚线，零坐标是参考点的坐标。参考点比如是10%，你看到曲线往左减少，往右是增加，也就是说低温的时候，如果偏离参考点降低EMC的含量，中间点，所有的量是100%，因此，每种的量最后都必须到100%，如果降低EMC含量，我的低温性能是在降低的。但是你看高温性能正好和它相反，如果降低EMC的量，高温性能是在增加的。因此，这种情况下，你的高温性能和低温性能正好是不一样的，每种情况都是一样。

比较有意思的是，DMC的粉色条线，它是上升的曲线，它的斜率是正的。低温情况下增加DMC的量，它的性能是增加的。减少DMC的量在下面是会减少的。但是60度的情况下，你会发现如果减少DMC的量，它的Performance也增加，在这种情况下我应该增加DMC在电解液里面的量。

DEC，它和DMC是什么区别？它在低温下像山头一样，如果DEC的含量增加到一定程度，Preformance就往下降，高温也是这样的情况。对它斜率影响最大的是PC和EMC，其他的几种比较平缓，它的平缓也就是说对整个性能的影响不是那么大。也就是每种溶剂对电池性能的影响。

这个图比较复杂（PPT），表示的是每个溶剂之间相互作用，它之间有没有相互作用。最后得出的结论是PC和DMC在PC的浓度比较低的时候，它的百分比比较小的时候是正的曲线，因此，我们最后得出的结论是要增加EMC和DMC的含量，降低EC和PC的含量，把DEC全部拿掉。这是通过43组得出结论。

有了结论以后就开始缩小范围，因为我知道我的参考点在什么地方，我就可以缩小范围。接下来进行第二组试验，18个，也是重复5次。最后得出这个结论，大家可以看出来，除了EC以外，其他的溶剂开始对它的电池性能的影响就已经不是很大，在负30度的时候，你可以比较一下刚才的结论，它很多曲率都是很高的。到现在的试验结果，它曲线的斜率就变小了，基本到最后的东西，最后到这个时候就不是统计，就是你作为科学家或者工程师最后做出决定了，你最后选择什么样的比例，得到最后的东西，BL是以前用的。DE、D16是我们得到比较好的，这是负30度的时候，性能几乎提高了3倍，其他的全部都是提高了3倍。

我想和大家说明一点，高通量试验从技术来讲，最大的问题就是重复性，你每组的重复性一定要好。比如我现在把扣式和3AH软包放在一起，几乎是一样的。一开始做试验，大家也有这个经历，扣式得到的结果在软报不一定可以重复，因为电极的一次性做的不好。这样对电极的压实、拌浆、涂膜要做得很均匀，做得很好，否则你的高密度实验是不可能有什么成功的。这是高温和低温的情况下，在60度的时候和30度的时候，几乎是一样的。

最后讲一些我的思考，刚才我已经讲了，你做的系统和你每个步骤和每个电极或者隔膜，一定要重复性好。重复性不好，这个东西可能不行。

下面是工程上的东西，怎么通过高通量选择。

问题，为什么我没有加任何新的添加剂，也没有用新的溶剂，可以把低温性能提高3倍以上，什么原因？通过试验发现一些事情，我们正在试图去理解，但是有一条是很多人的想法有所违背，就是导电性。我们发现电解液的导电性并不是主导的，最好的电解液的低温导电性要比性能更差的低温导电性要差，也就是说性能更差的导电性比我们的导电性更好。现在很多同事用搀比电极，我很喜欢，但是它有一个致命的落点，不管是圆柱电池还是软包电池，电池的性能一定会产生很大的影响。你放进搀比电极以后，电池的循环性能就和没有放是有区别的。我们希望不要打开电池，东西全部在里面，通过Ac impedance去解释。通过傅里叶变换，把交流阻抗从频率转到时间域。每个峰代表一个量化学反应，时间轴代表动力学，纵轴代表动力阻抗，代表对电子传递的阻碍。C是我们的control，就是普通电解液，9是比较好。这个东西一开始有3组等效电路，它可以分好几个峰，这些峰代表不同的电化学过程，如果放到低温下，你会发现什么问题呢？这个峰还包括这个小峰就变成了这两个大峰，而且你会发现红色的峰是control Cell，和黑色的峰之间的动力学有差别。

我学电化学，我想知道这几个方式哪来的，不管性能怎么样，最后发现后面这个峰是正极的，最左边是负极的峰，也就是负极起主导作用。第三幅图是正极和负极都在这里。谢谢大家！

提问：交流阻抗谱怎么转换？横坐标？

曲德杨：对，如果感兴趣的话，你可以来找，我可以把我最近专门写的一篇文章，用交流阻抗研究电池的综述，忘记在哪个杂志上了，我可以把我们的Copy给你，还没有上网，那个里面有详细的解释。做法就是傅里叶变换。

（根据速记整理，未经嘉宾审阅）