北京工業(yè)大學(xué)與赫爾共建聯(lián)合實驗室 產(chǎn)學(xué)合作共話卓越未來
截至2023年底，中國新能源汽車保有量達(dá)2041萬輛；而無論是動力電池還是新能源車，中國均占據(jù)全球超過60%的份額。在快速發(fā)展的同時，電池的安全問題日益成為關(guān)注的焦點。英國赫爾有限公司（H.E.L）自1987年創(chuàng)立開始，就為各產(chǎn)業(yè)提供過程優(yōu)化和反應(yīng)危害評估方案，在中國新能源產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的同時，赫爾已為上百家客戶提供了卓越的電池安全解決方案，并正在與領(lǐng)先的研究單位合作創(chuàng)新，為電池、化工、制藥、生物技術(shù)和石化行業(yè)提供更可靠的系統(tǒng)解決方案。
2024年9月24日，英國H.E.L集團(tuán)首席執(zhí)行官Louise Madden女士一行蒞臨北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 鋰離子電池?zé)岚踩c控制技術(shù)聯(lián)合實驗室參觀訪問。分析測試百科網(wǎng)采訪了Louise Madden女士，北京工業(yè)大學(xué)汽車工程系教授，博士生導(dǎo)師紀(jì)常偉教授，H.E.L集團(tuán)中國總經(jīng)理王子龍先生和H.E.L集團(tuán)中國首席應(yīng)用專家姚一帆博士。通過觀點的交流和碰撞，幾位大咖將帶我們展望電池測試、過程安全等領(lǐng)域的技術(shù)趨勢，合作研發(fā)促進(jìn)創(chuàng)新的未來前景。
北京工業(yè)大學(xué)汽車工程系教授，博士生導(dǎo)師紀(jì)常偉教授（右三），H.E.L集團(tuán)首席執(zhí)行官Louise Madden女士（左三），H.E.L集團(tuán)中國總經(jīng)理王子龍先生（左二），H.E.L集團(tuán)中國首席應(yīng)用專家姚一帆博士（左一）
赫爾：健康、安全、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略
Louise首先介紹了赫爾公司發(fā)展戰(zhàn)略。赫爾的戰(zhàn)略關(guān)注創(chuàng)新、可持續(xù)發(fā)展、與客戶的密切合作，聚焦于凈零排放相關(guān)的關(guān)鍵行業(yè)。Louise表示，赫爾的目標(biāo)是：持續(xù)推進(jìn)在電池測試、生物技術(shù)和半導(dǎo)體方面的解決方案，來應(yīng)對氣候變化、廢物管理、可持續(xù)能源和能源安全等全球挑戰(zhàn)。
在電池測試領(lǐng)域，赫爾的主要市場是中國，并正在向印度、美國和歐洲擴(kuò)展。赫爾還開發(fā)了一系列解決方案，提高儲能系統(tǒng)的安全性和性能，從而為公司的產(chǎn)品開辟了新的市場。
在生物技術(shù)領(lǐng)域，BioXplorer系列臺式平行生物反應(yīng)器具有獨特的高壓處理能力，可減少溫室氣體，生產(chǎn)化石燃料替代品，處理廢水，并應(yīng)用到不同的領(lǐng)域。
BioXplorer 400P | 高壓臺式，并聯(lián)4生物反應(yīng)器平臺
在半導(dǎo)體市場，赫爾產(chǎn)品展現(xiàn)了巨大的潛力，從使用現(xiàn)有的精細(xì)化學(xué)品解決方案離線或原位測量電路板和組件，到使用新產(chǎn)品iso-BTC等溫量熱儀。赫爾為半導(dǎo)體市場提供了從頭到尾的系統(tǒng)方案。
iso-BTC | 臺式，較小熱功率，較小電池，電池?zé)嵝阅軠y試，等溫量熱儀
“我們正在將人工智能與赫爾特色的控制軟件集成，進(jìn)一步提高客戶的研發(fā)效率?！盠ouise介紹說，“去年，我們還建立了更多的客戶培訓(xùn)中心，提高全球的客戶滿意度，包括在中國和印度成功舉辦的培訓(xùn)課程?！?/p>
聯(lián)合實驗室-合作、雙贏
有關(guān)聯(lián)合實驗室，H.E.L集團(tuán)中國總經(jīng)理王子龍先生介紹了雙方合作的契機(jī)以及赫爾將要開展的項目；H.E.L集團(tuán)中國首席應(yīng)用專家姚一帆博士談到了對聯(lián)合實驗室的技術(shù)支持；北京工業(yè)大學(xué)汽車工程系教授，博士生導(dǎo)師紀(jì)常偉教授就聯(lián)合實驗室的未來合作與發(fā)展，提出了建議和展望。
王子龍詳細(xì)介紹了赫爾與北京工業(yè)大學(xué)合作的多個方面。首先，聯(lián)合實驗室將擔(dān)任北京技術(shù)中心的角色，為赫爾的客戶提供專業(yè)的技術(shù)支持和培訓(xùn)服務(wù)。它將作為學(xué)術(shù)合作的平臺，開展一些橫向科研項目的承接和合作。
雙方合作的契機(jī)基于北京工業(yè)大學(xué)在能源行業(yè)的科研特色，尤其是在電動汽車和電池領(lǐng)域的學(xué)術(shù)聚焦，這與赫爾的業(yè)務(wù)發(fā)展需求高度契合。赫爾期望依托學(xué)校在科研方面的優(yōu)勢，為公司產(chǎn)品賦能，并為客戶提供專業(yè)的技術(shù)支持。對于未來，王子龍表達(dá)了對合作實驗室的期望，將為赫爾在中國的130余臺BTC量熱儀客戶提供技術(shù)服務(wù)和培訓(xùn)支持。
談到對聯(lián)合實驗室的技術(shù)支持，姚一帆博士介紹了兩點。
首先，公司提供定期的日常維護(hù)、操作培訓(xùn)來保障實驗室設(shè)備的正常運行；對于實驗數(shù)據(jù)分析提供了個性定制化的程序改寫服務(wù)。
姚博士強(qiáng)調(diào)了“人機(jī)料法環(huán)”五大要素在實驗中的重要性，即人員、設(shè)備、物料、方法和環(huán)境。赫爾致力于確保設(shè)備性能穩(wěn)定，并倡導(dǎo)實驗方法的標(biāo)準(zhǔn)化。公司每年舉辦的培訓(xùn)會議，不僅涉及設(shè)備原理和維護(hù)，也包括實驗校準(zhǔn)、樣品制備和放置等實驗方法的統(tǒng)一，確保了實驗的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。
此外，赫爾還注重數(shù)據(jù)分析的培訓(xùn)，教授研究人員如何繪制圖表、解釋數(shù)據(jù)，并針對具體問題提供可能的解決方案。通過與客戶的持續(xù)溝通和經(jīng)驗積累，赫爾幫助研究人員排查問題，提升實驗的成功率。
其次，共建實驗室的另一項重要目標(biāo)是促進(jìn)廣泛的學(xué)術(shù)交流和形成共識。赫爾期望通過實驗室平臺，加強(qiáng)與學(xué)術(shù)界的聯(lián)系，推動測試方法和人員培訓(xùn)的標(biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和對比性，避免不必要的工作重復(fù)和資源浪費。
談到聯(lián)合實驗室的意義和未來的期望，紀(jì)常偉表示：首先，客戶服務(wù)和技術(shù)支持非常重要。其次，合作中的交流、對挑戰(zhàn)性問題的解決可以促進(jìn)產(chǎn)品創(chuàng)新，比如產(chǎn)品性能的提高滿足前沿需求，多樣化和模塊化發(fā)展?jié)M足市場更多層次客戶的需求。第三，聯(lián)合實驗室可促進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化，推動新技術(shù)在實際產(chǎn)品中的應(yīng)用，并最終通過合作共贏的模式，實現(xiàn)學(xué)術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的深度融合。第四，可培養(yǎng)更多專業(yè)人才。
“期望實驗室能成為一個集技術(shù)創(chuàng)新、人才培養(yǎng)、學(xué)術(shù)交流、產(chǎn)業(yè)服務(wù)于一體的綜合性平臺。” 紀(jì)常偉展望說，“希望我們攜手努力，將合作實驗室建設(shè)成為電池安全、性能測試和新能源技術(shù)等領(lǐng)域的領(lǐng)軍機(jī)構(gòu)，為社會的可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)?！?/p>
電池安全研究
紀(jì)常偉教授課題組的三個主要研究方向為：氫及氫混合燃料活塞和轉(zhuǎn)子內(nèi)燃機(jī)；動力鋰離子電池?zé)峁芾怼岚踩碍h(huán)?；厥?；燃料電池性能優(yōu)化及熱管理。
在氫內(nèi)燃機(jī)研究方面已有20年經(jīng)驗的紀(jì)常偉在2012年開展電池回收技術(shù)研究，并與企業(yè)合作建立了電池回收示范線。“當(dāng)然，把玻璃杯打碎再把碎玻璃做成一個新杯子，一定比新杯子更貴。” 紀(jì)常偉打比喻說，“目前，碳酸鋰價格降得太厲害了，因此電池回收目前還沒有更多的商業(yè)價值，而是一項環(huán)保事業(yè)，必須要得到政府的大力支持。”
2012年開始，課題組開始研究鋰電安全，并購置和搭建了安全測量的裝置。比如，課題組一直使用赫爾的量熱儀系列產(chǎn)品，并設(shè)計搭建了電池高低溫試驗臺，借助高速攝像機(jī)觀測和研究電池的燃燒過程、滅火效能。
課題組的研究重點在于開發(fā)電池安全預(yù)警系統(tǒng)，通過建立熱安全模型來預(yù)測和防范可能發(fā)生的電池?zé)崾Э厥录?。他們采用的?chuàng)新方法結(jié)合了實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬，有效降低了對大量傳感器的依賴，減少了成本，同時提高了預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，課題組還在積極探索固態(tài)電池、鈉電池等新一代電池安全技術(shù)的研究，致力于通過實驗與數(shù)值模擬的結(jié)合，進(jìn)一步提升電池系統(tǒng)安全預(yù)警測試的能力。
熱失控機(jī)理 量熱儀的重要角色
紀(jì)教授接下來簡介了過充電條件下鋰離子電池?zé)崾Э氐木唧w機(jī)理；并對比了不同化學(xué)體系的鋰離子電池（如NCM、LiFePO4）在過充情況下的熱安全性表現(xiàn)的異同。他指出，過充電會導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部電流增大，產(chǎn)生大量熱量，當(dāng)電池內(nèi)部溫度升高到一定程度，就會觸發(fā)熱失控現(xiàn)象。LiFePO4電池在過充時通常首先出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，較少發(fā)生起火，這歸因于其較低的能量密度和較高的熱失控起始溫度。相比之下，NCM在過充情況下的熱安全性較差，它們在較低的溫度下就可能發(fā)生熱失控，并且反應(yīng)更為劇烈。
正常情況下，鋰離子可以有序地通過電池內(nèi)部，但在過充情況下，電場的驅(qū)使導(dǎo)致鋰離子爭先恐后地遷移，造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損壞。他解釋說，過充會導(dǎo)致鋰離子在負(fù)極表面沉積形成枝晶，這些枝晶可能刺穿隔膜，引起內(nèi)部短路，最終導(dǎo)致電池?zé)崾Э亍?/p>
了解了熱失控，那電池安全問題就顯得尤為重要。
在電池安全研究領(lǐng)域，量熱儀是關(guān)鍵工具，可深入探究鋰離子電池在過充狀態(tài)下的熱失控現(xiàn)象。絕熱量熱儀能夠在電池加熱過程中維持一個接近絕熱的狀態(tài)，從而精確捕捉電池自身的放熱反應(yīng)。通過緩慢升溫并細(xì)致控制溫度梯度，研究者能夠監(jiān)測從初始反應(yīng)到劇烈反應(yīng)的整個過程，進(jìn)而識別出電池?zé)崾Э氐呐R界點。
紀(jì)教授指出，絕熱量熱儀能幫助確定電池的安全溫度，從而確保電池的安全使用。在聯(lián)合實驗室，我們看到了一臺BTC-130絕熱量熱儀和一臺BTC-500落地式絕熱量熱儀。
BTC-130 | 臺式，小尺寸電池，小容量電池，材料級別，電池?zé)嵝阅芗鞍踩阅軠y試，絕熱量熱儀
BTC-500 | 大尺寸，大容量，高活性體系，電池?zé)嵝阅芗鞍踩阅軠y試，落地式絕熱量熱儀
在實驗中，量熱儀還結(jié)合物理方法和攝像技術(shù)來分析電池燃燒過程中的火焰特征，包括火焰的高度、長度、面積和顏色。這些物理數(shù)據(jù)與量熱儀的溫度測量相結(jié)合，為電池?zé)崾Э靥峁┝烁娴囊暯恰?/p>
紀(jì)教授在采訪中表達(dá)了對赫爾產(chǎn)品的信任和滿意，他分享了自己12年來使用赫爾設(shè)備的經(jīng)驗，并盛贊了產(chǎn)品的可靠性、耐用性，工程師的服務(wù)能力。紀(jì)教授還就產(chǎn)品開發(fā)創(chuàng)新提出了一些建議：更大的可視窗口和攝像頭，更多參數(shù)的模塊化，更靈敏的傳感器以更小的梯度實現(xiàn)精確的溫度，以及更快的測量速度。“這些改進(jìn)將更好地滿足市場對高端科學(xué)儀器的需求，并有助于推動赫爾的持續(xù)創(chuàng)新和長遠(yuǎn)發(fā)展。”
量熱技術(shù)發(fā)展挑戰(zhàn)與趨勢
針對電池絕熱量熱技術(shù)在鋰離子電池安全領(lǐng)域的應(yīng)用及其面臨的挑戰(zhàn)。他指出，該技術(shù)的核心在于精確捕捉電池?zé)崾Э氐臏囟瘸跏键c，而非僅僅監(jiān)測到熱失控發(fā)生的時刻。
“我們面臨的挑戰(zhàn)之一是如何提高測量精度，以及如何讓設(shè)備能夠承受更高的壓力和溫度?！?在談及技術(shù)難點時紀(jì)教授表示，“期望量熱設(shè)備能夠適應(yīng)更大尺寸的電池，耐壓耐溫性能更強(qiáng)，并且能夠測量更多參數(shù)，提供更強(qiáng)大的實驗數(shù)據(jù)來支持電池的安全設(shè)計和優(yōu)化。”
“目前國內(nèi)的量熱技術(shù)主要服務(wù)于爆炸物和危險品的熱特性測試?！?紀(jì)教授對赫爾提出了更多期待，“在熱量和溫度測試方面，英國在傳感器方面有更多積累和優(yōu)勢，可開發(fā)更靈敏的傳感器，以更小的梯度實現(xiàn)精確的溫度控制及測量；在組分測量方面，能夠采用更多的測量技術(shù)，測量更多的參數(shù)?！?/p>
全面方案 為行業(yè)賦能
赫爾在電池、化工熱相關(guān)研究領(lǐng)域領(lǐng)域提供了一系列創(chuàng)新的核心儀器，包括測量電池穩(wěn)定性的BTC-500、BTC-130絕熱加速量熱儀；測量電池產(chǎn)熱性能的ISO-BTC、ISO-BTC plus等溫量熱儀等。Louise介紹說，上述設(shè)備涵蓋了從臺式到更大規(guī)模，破壞性和非破壞性的電池測試需求，從而幫助用戶開發(fā)更安全、性能更高的電池產(chǎn)品。
姚一帆博士詳細(xì)介紹了赫爾量熱儀產(chǎn)品。
BTC系列產(chǎn)品基于1989年推出的Phi-tec產(chǎn)品，采用改進(jìn)的絕熱控制模型，能夠根據(jù)樣品溫度變化控制腔體溫度，實現(xiàn)反應(yīng)過程的絕熱控制。2000年后，由于鋰離子電池逐漸發(fā)展，公司推出ISO-BTC產(chǎn)品，主要針對電池產(chǎn)熱功率測量。原理是利用補償加熱片的補償調(diào)節(jié)來測量電池的產(chǎn)熱。這種方式不需要使用熱流量熱片，降低使用成本，并且可以測量較大的產(chǎn)熱。
赫爾的產(chǎn)品均基于相同的控制平臺，只需要改變控制驅(qū)動和配置文件，就可以實現(xiàn)不同測試平臺的快速切換，在降低赫爾公司內(nèi)部研發(fā)成本的同時，也方便用戶學(xué)習(xí)不同的測試設(shè)備及方式。
由于基于相同的測試平臺，因此對于測試方法的開發(fā)流程都是相同的，而且測試方法可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行定義。例如，儲能電池國標(biāo)的測試方法開發(fā)，就是赫爾的工程師基于文件描述自行設(shè)計的。近期，亦有客戶需要對測試過程的跳轉(zhuǎn)增加延遲判斷功能，赫爾的工程師就根據(jù)客戶需求增加新的測試判定。這種彈性的測試方法的建立流程，為用戶提供了更多可能性。由于這種測試方法需要用戶整理測試邏輯及測試控制點，可以促使用戶更深入地思考測試需求和測試流程，讓用戶逐漸成為領(lǐng)域的專業(yè)人才。
設(shè)備方面，赫爾為用戶預(yù)留了多個接口，為用戶自行開發(fā)或第三方開發(fā)應(yīng)用提供可能性。比如，為了增加樣品的加熱功率，第三方公司開發(fā)出增幅器，用于提升樣品的升溫速率，降低用戶的測試時間。再比如，有第三方公司，開發(fā)出質(zhì)譜聯(lián)用方案，用于材料和電池測試過程的實時氣體分析。赫爾歡迎共贏的合作，只要是能夠為用戶提供價值的解決方案，赫爾都愿意嘗試和推廣。
在中國 為中國
姚一帆博士表示：在中國，赫爾的產(chǎn)品覆蓋了廣泛的行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域，主要服務(wù)于需要進(jìn)行熱測量和安全評估的化工產(chǎn)品相關(guān)的機(jī)構(gòu)和企業(yè)，包括化工安全研究所、化工品生產(chǎn)廠、電池生產(chǎn)廠、主機(jī)廠、第三方檢測機(jī)構(gòu)以及高校等上百家客戶。赫爾的產(chǎn)品被應(yīng)用于電池測試技術(shù)、工藝安全、化學(xué)合成和生物過程開發(fā)等多個關(guān)鍵領(lǐng)域。
在中國客戶的售后服務(wù)方面，赫爾有以下幾點舉措：
首先，對報修客戶24小時內(nèi)響應(yīng)；為質(zhì)保期內(nèi)的客戶提供免費的售后服務(wù)，對質(zhì)保期外的客戶，提供儀器維護(hù)解決方案。
其次，所有售后工程師具備高學(xué)歷及化工相關(guān)的背景。
第三，建議使用原廠配件，同時赫爾在北京和江蘇配置配件倉庫，更快速響應(yīng)客戶需求。
第四，設(shè)備安裝后提供專門的設(shè)備使用培訓(xùn)。每年組織至少一次應(yīng)用技術(shù)培訓(xùn)，包括電池測試、泄放安全培訓(xùn)等。培訓(xùn)中邀請總部的專家、國內(nèi)專家和學(xué)者，分享知識和經(jīng)驗，共同討論問題，助力赫爾的使用者逐漸成長為相應(yīng)領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)人才。
第五，建立以總部為核心，基于全球的信息分享平臺，分享不同領(lǐng)域的應(yīng)用信息，不斷完善對于設(shè)備的應(yīng)用和技術(shù)的更新迭代。
第六，為中國客戶開發(fā)方法。比如，客戶需要改進(jìn)測試方法，赫爾中國團(tuán)隊在詳細(xì)了解客戶測試需求后，與客戶討論測試方案邏輯，再基于赫爾自主開發(fā)的測試平臺，建立新的測試方法。目前，主要通過遠(yuǎn)程操控電腦，建立和編輯測試方法，在解決用戶問題的同時，降低雙方溝通和運營成本，實現(xiàn)客戶與赫爾的雙贏。
“有客戶說，赫爾就像安卓，開放共贏?！?姚博士強(qiáng)調(diào)說，“赫爾提供了大量的操作接口，可以幫助客戶實現(xiàn)許多功能，包括測試過程的氣體采集、測試過程的壓力監(jiān)控、與國內(nèi)主要充放電設(shè)備聯(lián)動等。比如，赫爾已經(jīng)利用拉曼對液相反應(yīng)過程實現(xiàn)了在線分析；正在開發(fā)和驗證在線質(zhì)譜氣體分析。驗證結(jié)束后，對于高壓下的材料反應(yīng)過程理解、鋰離子電池?zé)崾Э氐忍厥鈶?yīng)用場景，都將有非常重要的意義。這些分析結(jié)果，最終可以落實到對于工況場景的預(yù)警或者安全防護(hù)等?！?/p>
Louise補充說：“我們非常高興William（姚一帆）博士加入赫爾，他剛才已介紹了他的團(tuán)隊為中國客戶帶來的支持。最近還有一個好消息，杜教授也加入赫爾中國，成為我們的首席科學(xué)顧問。她希望我們讓中國用戶參加赫爾的公司年會，激發(fā)更多的知識分享。我們最近剛舉辦了Phitech工藝安全設(shè)備技術(shù)培訓(xùn)，曾在AGL（澳大利亞電力公司）工作30余年、來自英國的Derek博士作為講師，為中國團(tuán)隊和中國用戶分享了他多年的知識和經(jīng)驗。這些舉措幫助我們建立更深入的客戶關(guān)系?！?/p>
加速兩大業(yè)務(wù) 支持年輕團(tuán)隊再創(chuàng)佳績
關(guān)于赫爾中國近期的發(fā)展Louise談到三點。
首先，自2020年3月在中國成立赫爾中國以來，赫爾在華業(yè)務(wù)實現(xiàn)迅猛增長，并在電池測試等領(lǐng)域積累了深厚的專業(yè)知識和技術(shù)實力。“我們是中國電池測試的市場領(lǐng)導(dǎo)者，同時也使我們成為該領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者，因此電池測試是赫爾將繼續(xù)投資的領(lǐng)域?！盠ouise說。
其次，積極拓展半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用。從使用現(xiàn)有的精細(xì)化學(xué)品解決方案，到使用新產(chǎn)品iso-BTC等溫量熱儀，赫爾為半導(dǎo)體市場提供了從頭到尾的系統(tǒng)方案。
第三，繼續(xù)加大中國的投資，并希望它在未來幾年內(nèi)大幅增長。Louise表示：“赫爾的大量業(yè)務(wù)都來自于中國，我很自豪能與中國的團(tuán)隊合作，他們表現(xiàn)非常出色。我喜歡來中國，看到這支年輕的團(tuán)隊正在做什么，并支持他們獲得成功?！?/p>
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