北京工業大學與赫爾共建聯合實驗室 產學合作共話卓越未來
截至2023年底，中國新能源汽車保有量達2041萬輛；而無論是動力電池還是新能源車，中國均占據全球超過60%的份額。在快速發展的同時，電池的安全問題日益成為關注的焦點。英國赫爾有限公司（H.E.L）自1987年創立開始，就為各產業提供過程優化和反應危害評估方案，在中國新能源產業蓬勃發展的同時，赫爾已為上百家客戶提供了卓越的電池安全解決方案，并正在與領先的研究單位合作創新，為電池、化工、制藥、生物技術和石化行業提供更可靠的系統解決方案。
2024年9月24日，英國H.E.L集團首席執行官Louise Madden女士一行蒞臨北京工業大學機械與能源工程學院 鋰離子電池熱安全與控制技術聯合實驗室參觀訪問。分析測試百科網采訪了Louise Madden女士，北京工業大學汽車工程系教授，博士生導師紀常偉教授，H.E.L集團中國總經理王子龍先生和H.E.L集團中國首席應用專家姚一帆博士。通過觀點的交流和碰撞，幾位大咖將帶我們展望電池測試、過程安全等領域的技術趨勢，合作研發促進創新的未來前景。
北京工業大學汽車工程系教授，博士生導師紀常偉教授（右三），H.E.L集團首席執行官Louise Madden女士（左三），H.E.L集團中國總經理王子龍先生（左二），H.E.L集團中國首席應用專家姚一帆博士（左一）
赫爾：健康、安全、可持續發展戰略
Louise首先介紹了赫爾公司發展戰略。赫爾的戰略關注創新、可持續發展、與客戶的密切合作，聚焦于凈零排放相關的關鍵行業。Louise表示，赫爾的目標是：持續推進在電池測試、生物技術和半導體方面的解決方案，來應對氣候變化、廢物管理、可持續能源和能源安全等全球挑戰。
在電池測試領域，赫爾的主要市場是中國，并正在向印度、美國和歐洲擴展。赫爾還開發了一系列解決方案，提高儲能系統的安全性和性能，從而為公司的產品開辟了新的市場。
在生物技術領域，BioXplorer系列臺式平行生物反應器具有獨特的高壓處理能力，可減少溫室氣體，生產化石燃料替代品，處理廢水，并應用到不同的領域。
BioXplorer 400P | 高壓臺式，并聯4生物反應器平臺
在半導體市場，赫爾產品展現了巨大的潛力，從使用現有的精細化學品解決方案離線或原位測量電路板和組件，到使用新產品iso-BTC等溫量熱儀。赫爾為半導體市場提供了從頭到尾的系統方案。
iso-BTC | 臺式，較小熱功率，較小電池，電池熱性能測試，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，進一步提高客戶的研發效率。”Louise介紹說，“去年，我們還建立了更多的客戶培訓中心，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課程。”
聯合實驗室-合作、雙贏
有關聯合實驗室，H.E.L集團中國總經理王子龍先生介紹了雙方合作的契機以及赫爾將要開展的項目；H.E.L集團中國首席應用專家姚一帆博士談到了對聯合實驗室的技術支持；北京工業大學汽車工程系教授，博士生導師紀常偉教授就聯合實驗室的未來合作與發展，提出了建議和展望。
王子龍詳細介紹了赫爾與北京工業大學合作的多個方面。首先，聯合實驗室將擔任北京技術中心的角色，為赫爾的客戶提供專業的技術支持和培訓服務。它將作為學術合作的平臺，開展一些橫向科研項目的承接和合作。
雙方合作的契機基于北京工業大學在能源行業的科研特色，尤其是在電動汽車和電池領域的學術聚焦，這與赫爾的業務發展需求高度契合。赫爾期望依托學校在科研方面的優勢，為公司產品賦能，并為客戶提供專業的技術支持。對于未來，王子龍表達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服務和培訓支持。
談到對聯合實驗室的技術支持，姚一帆博士介紹了兩點。
首先，公司提供定期的日常維護、操作培訓來保障實驗室設備的正常運行；對于實驗數據分析提供了個性定制化的程序改寫服務。
姚博士強調了“人機料法環”五大要素在實驗中的重要性，即人員、設備、物料、方法和環境。赫爾致力于確保設備性能穩定，并倡導實驗方法的標準化。公司每年舉辦的培訓會議，不僅涉及設備原理和維護，也包括實驗校準、樣品制備和放置等實驗方法的統一，確保了實驗的準確性和重復性。
此外，赫爾還注重數據分析的培訓，教授研究人員如何繪制圖表、解釋數據，并針對具體問題提供可能的解決方案。通過與客戶的持續溝通和經驗積累，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是促進廣泛的學術交流和形成共識。赫爾期望通過實驗室平臺，加強與學術界的聯系，推動測試方法和人員培訓的標準化，實現數據的共享和對比性，避免不必要的工作重復和資源浪費。
談到聯合實驗室的意義和未來的期望，紀常偉表示：首先，客戶服務和技術支持非常重要。其次，合作中的交流、對挑戰性問題的解決可以促進產品創新，比如產品性能的提高滿足前沿需求，多樣化和模塊化發展滿足市場更多層次客戶的需求。第三，聯合實驗室可促進科研成果轉化，推動新技術在實際產品中的應用，并最終通過合作共贏的模式，實現學術研究與產業發展的深度融合。第四，可培養更多專業人才。
“期望實驗室能成為一個集技術創新、人才培養、學術交流、產業服務于一體的綜合性平臺。” 紀常偉展望說，“希望我們攜手努力，將合作實驗室建設成為電池安全、性能測試和新能源技術等領域的領軍機構，為社會的可持續發展做出重要貢獻。”
電池安全研究
紀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子內燃機；動力鋰離子電池熱管理、熱安全及環保回收；燃料電池性能優化及熱管理。
在氫內燃機研究方面已有20年經驗的紀常偉在2012年開展電池回收技術研究，并與企業合作建立了電池回收示范線。“當然，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價值，而是一項環保事業，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品，并設計搭建了電池高低溫試驗臺，借助高速攝像機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電池安全預警系統，通過建立熱安全模型來預測和防范可能發生的電池熱失控事件。他們采用的創新方法結合了實驗數據和數值模擬，有效降低了對大量傳感器的依賴，減少了成本，同時提高了預警系統的準確性和可靠性。此外，課題組還在積極探索固態電池、鈉電池等新一代電池安全技術的研究，致力于通過實驗與數值模擬的結合，進一步提升電池系統安全預警測試的能力。
熱失控機理 量熱儀的重要角色
紀教授接下來簡介了過充電條件下鋰離子電池熱失控的具體機理；并對比了不同化學體系的鋰離子電池（如NCM、LiFePO4）在過充情況下的熱安全性表現的異同。他指出，過充電會導致鋰離子電池內部電流增大，產生大量熱量，當電池內部溫度升高到一定程度，就會觸發熱失控現象。LiFePO4電池在過充時通常首先出現冒煙現象，較少發生起火，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生熱失控，并且反應更為劇烈。
正常情況下，鋰離子可以有序地通過電池內部，但在過充情況下，電場的驅使導致鋰離子爭先恐后地遷移，造成內部結構的損壞。他解釋說，過充會導致鋰離子在負極表面沉積形成枝晶，這些枝晶可能刺穿隔膜，引起內部短路，最終導致電池熱失控。
了解了熱失控，那電池安全問題就顯得尤為重要。
在電池安全研究領域，量熱儀是關鍵工具，可深入探究鋰離子電池在過充狀態下的熱失控現象。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，從而精確捕捉電池自身的放熱反應。通過緩慢升溫并細致控制溫度梯度，研究者能夠監測從初始反應到劇烈反應的整個過程，進而識別出電池熱失控的臨界點。
紀教授指出，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，電池熱性能及安全性能測試，絕熱量熱儀
BTC-500 | 大尺寸，大容量，高活性體系，電池熱性能及安全性能測試，落地式絕熱量熱儀
在實驗中，量熱儀還結合物理方法和攝像技術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。這些物理數據與量熱儀的溫度測量相結合，為電池熱失控提供了更全面的視角。
紀教授在采訪中表達了對赫爾產品的信任和滿意，他分享了自己12年來使用赫爾設備的經驗，并盛贊了產品的可靠性、耐用性，工程師的服務能力。紀教授還就產品開發創新提出了一些建議：更大的可視窗口和攝像頭，更多參數的模塊化，更靈敏的傳感器以更小的梯度實現精確的溫度，以及更快的測量速度。“這些改進將更好地滿足市場對高端科學儀器的需求，并有助于推動赫爾的持續創新和長遠發展。”
量熱技術發展挑戰與趨勢
針對電池絕熱量熱技術在鋰離子電池安全領域的應用及其面臨的挑戰。他指出，該技術的核心在于精確捕捉電池熱失控的溫度初始點，而非僅僅監測到熱失控發生的時刻。
“我們面臨的挑戰之一是如何提高測量精度，以及如何讓設備能夠承受更高的壓力和溫度。” 在談及技術難點時紀教授表示，“期望量熱設備能夠適應更大尺寸的電池，耐壓耐溫性能更強，并且能夠測量更多參數，提供更強大的實驗數據來支持電池的安全設計和優化。”
“目前國內的量熱技術主要服務于爆炸物和危險品的熱特性測試。” 紀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勢，可開發更靈敏的傳感器，以更小的梯度實現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，測量更多的參數。”
全面方案 為行業賦能
赫爾在電池、化工熱相關研究領域領域提供了一系列創新的核心儀器，包括測量電池穩定性的BTC-500、BTC-130絕熱加速量熱儀；測量電池產熱性能的ISO-BTC、ISO-BTC plus等溫量熱儀等。Louise介紹說，上述設備涵蓋了從臺式到更大規模，破壞性和非破壞性的電池測試需求，從而幫助用戶開發更安全、性能更高的電池產品。
姚一帆博士詳細介紹了赫爾量熱儀產品。
BTC系列產品基于1989年推出的Phi-tec產品，采用改進的絕熱控制模型，能夠根據樣品溫度變化控制腔體溫度，實現反應過程的絕熱控制。2000年后，由于鋰離子電池逐漸發展，公司推出ISO-BTC產品，主要針對電池產熱功率測量。原理是利用補償加熱片的補償調節來測量電池的產熱。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熱。
赫爾的產品均基于相同的控制平臺，只需要改變控制驅動和配置文件，就可以實現不同測試平臺的快速切換，在降低赫爾公司內部研發成本的同時，也方便用戶學習不同的測試設備及方式。
由于基于相同的測試平臺，因此對于測試方法的開發流程都是相同的，而且測試方法可以根據用戶需求進行定義。例如，儲能電池國標的測試方法開發，就是赫爾的工程師基于文件描述自行設計的。近期，亦有客戶需要對測試過程的跳轉增加延遲判斷功能，赫爾的工程師就根據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，讓用戶逐漸成為領域的專業人才。
設備方面，赫爾為用戶預留了多個接口，為用戶自行開發或第三方開發應用提供可能性。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，開發出質譜聯用方案，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，赫爾的產品覆蓋了廣泛的行業和應用領域，主要服務于需要進行熱測量和安全評估的化工產品相關的機構和企業，包括化工安全研究所、化工品生產廠、電池生產廠、主機廠、第三方檢測機構以及高校等上百家客戶。赫爾的產品被應用于電池測試技術、工藝安全、化學合成和生物過程開發等多個關鍵領域。
在中國客戶的售后服務方面，赫爾有以下幾點舉措：
首先，對報修客戶24小時內響應；為質保期內的客戶提供免費的售后服務，對質保期外的客戶，提供儀器維護解決方案。
其次，所有售后工程師具備高學歷及化工相關的背景。
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，更快速響應客戶需求。
第四，設備安裝后提供專門的設備使用培訓。每年組織至少一次應用技術培訓，包括電池測試、泄放安全培訓等。培訓中邀請總部的專家、國內專家和學者，分享知識和經驗，共同討論問題，助力赫爾的使用者逐漸成長為相應領域內的專業人才。
第五，建立以總部為核心，基于全球的信息分享平臺，分享不同領域的應用信息，不斷完善對于設備的應用和技術的更新迭代。
第六，為中國客戶開發方法。比如，客戶需要改進測試方法，赫爾中國團隊在詳細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的測試平臺，建立新的測試方法。目前，主要通過遠程操控電腦，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。” 姚博士強調說，“赫爾提供了大量的操作接口，可以幫助客戶實現許多功能，包括測試過程的氣體采集、測試過程的壓力監控、與國內主要充放電設備聯動等。比如，赫爾已經利用拉曼對液相反應過程實現了在線分析；正在開發和驗證在線質譜氣體分析。驗證結束后，對于高壓下的材料反應過程理解、鋰離子電池熱失控等特殊應用場景，都將有非常重要的意義。這些分析結果，最終可以落實到對于工況場景的預警或者安全防護等。”
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顧問。她希望我們讓中國用戶參加赫爾的公司年會，激發更多的知識分享。我們最近剛舉辦了Phitech工藝安全設備技術培訓，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，為中國團隊和中國用戶分享了他多年的知識和經驗。這些舉措幫助我們建立更深入的客戶關系。”
加速兩大業務 支持年輕團隊再創佳績
關于赫爾中國近期的發展Louise談到三點。
首先，自2020年3月在中國成立赫爾中國以來，赫爾在華業務實現迅猛增長，并在電池測試等領域積累了深厚的專業知識和技術實力。“我們是中國電池測試的市場領導者，同時也使我們成為該領域的全球領導者，因此電池測試是赫爾將繼續投資的領域。”Louise說。
其次，積極拓展半導體行業的應用。從使用現有的精細化學品解決方案，到使用新產品iso-BTC等溫量熱儀，赫爾為半導體市場提供了從頭到尾的系統方案。
第三，繼續加大中國的投資，并希望它在未來幾年內大幅增長。Louise表示：“赫爾的大量業務都來自于中國，我很自豪能與中國的團隊合作，他們表現非常出色。我喜歡來中國，看到這支年輕的團隊正在做什么，并支持他們獲得成功。”
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