電池的安全性，首先是取決于它本身材料的安全性。不同電池對應不同的特性曲線，這需要用不同的模型來針對性解決。

“當一顆電池做好了以后，它的狀態到底是什么樣的？它跟我們電池的安全性是密切相關的。”馬紫峰表示。在12日舉辦的汽車百人大會上，上海交通大學特聘教授馬紫峰從以下幾個方面分享他的報告：第一、安全技術策略；第二、鋰電池模型構建；第三、狀態模型構建。第四，模型的應用和評估。

值得一提的是，在今年1月8日在北京隆重舉行的國家科學技術獎勵大會上，馬紫峰教授團隊完成的“磷酸鐵鋰動力電池制造及其應用過程關鍵技術”項目榮獲2018年國家科技進步二等獎。

目前，鋰離子電池今天為止已經發展了有四代產品，從手機用的鈷酸鋰到錳酸鋰、到磷酸鐵鋰，還有現在的三元等等這些材料，還有很多的人在追求更高的目標，向300Wh以上進軍，甚至到了500Wh。所以從材料體系來講，現在的研究是五花八門，新概念層出不窮，但是為什么會有這樣一個目標呢？

馬紫峰認為，“其實很重要的一點就是續航里程的焦慮，每個人都希望續航里程更高、能量密度可以不斷的提升。但是大家都知道，經過了這么多年的研發，發展了那么多新的正極材料，真正目前能夠得到工業化應用的寥寥無幾，也就是剛才提到的鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等等。”

而這里面很重要的一點是電池的安全性，而安全首先是取決于它本身材料的安全性。馬教授團隊通過熱分析以及相關系統進行分析研究，結果表明，在這些材料當中磷酸鐵鋰的熱穩定性從材料來講，其安全性是最好的。對此，馬紫峰表示：“我們可以發現，電池的能量密度越高，實際上產生的過熱或者熱失控的形式就越大。所以要增加電池的安全性，對于這些高能量的電池就可能需要在系統設計當中加入了特定的保護裝置，比如說冷卻系統，還有防爆系統等等，以減少電池的安全性。”

因此，電池的安全性和長循環壽命是整個電池設計當中非常重要的一個問題。那么，該怎么樣做好一個電池和電池系統呢？馬紫峰認為，“實際上來講，可以借鑒我們化工的管理模式。大家都知道，化工是一個非常有用的行業，但是化工今天在全國各地都得到了很多不待見，很多地方都不歡迎化工，是因為覺得化工在這方面有安全問題、甚至是毒性的問題。但事實上來講大家看到，我們石油化工行業有大量的反應器，高壓的、高溫的，他們是怎么樣保證安全呢？實際上很好的一個方法，就是系統控制的方面。在系統控制論產生的過程中，化工系統工程實際上起到了非常重要的作用。”

這就需要我們評估，能不能引入化工系統工程的原理來控制電池以及電池的系統。其關鍵在于，我們需要分析動力電池生產的安全因素和不安全因素。馬教授指出，“在電池里面，影響的因素非常多，所以一個系統的管理，除了它的充電、放電的控制以外，還跟它的熱管理以及安全管理有關系。在這些當中，實際上對狀態的估計非常重要，狀態的估計包括了核電狀態，就是一個電池我們經常可以看到的，還有多少電。此外，還包括了它的健康狀態，以及功率的狀態。”

在我們手機電池電量低時，會提示我們該充電了。那么，到底怎么監測這個電池的狀態呢？實際這個狀態是要依據化工的一些系統工程方法來實現的。電池的放電曲線，就像我們化學反應工程當中反應器里面濃度的變化、壓力的變化、溫度的變化，而這些變化過程當中，是需要用一定的數學模型，去把它精確的描述出來。

這個與電池的材料化學體系有關，在電池模型建立當中，磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰等不同材料有不同的曲線特征。磷酸鐵鋰的放電曲線是非常平的一條曲線，而錳酸鋰有兩個放電平臺，這兩個放電平臺怎么樣去確定它的SOC狀態？SOC實際上就是我們曲線，在4.0V的時候SOC我們假定是100%，而到了后面2.5V，放電截止，它是真正的沒有了。事實上，在做電池管理系統、模型的時候，把SOC截到5%甚至1%是否可行，需要在電池管理時評估電池的余量。這就需要有一個精確的狀態估計，而這個估計除了材料化學體系，還有一個就是內阻。內阻跟材料的體系以及溫度是有關系的，另外，還有界面的效應，以及電芯的管理系統。

事實上，電芯測試中真正能測到的只有開路電壓、溫度，其他的是看不到的，所以我們首先要去確定開路電壓，再去確定開路電壓與這個荷電狀態的管理，這是基于SOC模型當中重要的理論基礎。所以，可以說OCV和SOC模型的精確度，是操控電池健康狀態的關鍵。

做這個模型之前首先就要對鋰電池單體的模型進行構建，所以鋰電池的模型涉及到了方方面面。鋰離子電池的充電和放電過程，實際上是一個化學反應過程，而這個化學反應過程是一個多項復雜的系統，它有電化學反應，也涉及到電機動力學，也涉及到傳制過程、電荷轉移還有傳熱等。

因此，建立電池模型就需要有不同的一些方法，馬教授給出了三種模型，第一種是電化學的機理模型；第二種是黑箱模型；第三種是基于等效電路的模型。

最后馬紫峰總結道：“我們通過這幾年的努力，先后建立了一些像開路電壓、健康狀態、SOC的這些估算模型，對這個模型函數的選擇以及它的形式、參數估計的方法、計算，提出了自己特定的一些手段，同時我們也認為，電池安全系統保障的基礎是材料化學體系本身安全的基礎。電池的保護裝置，比如說限壓過充保護、BMS優化控制方案，是一個有效的措施。“

實際上如果要想精準的控制和預測的話，對不同電池的材料體系，不同電池的結構，比如圓柱的、軟包的和方殼的，或者電芯單體容量大小不同，都會有不同的充放電特征曲線，而根據特征曲線，用實際生產數據來修正模型，這也是馬紫峰團隊與不同企業的戰略合作基礎，因為可以滿足它特定的需求。