TRIZ理論在納微領(lǐng)域中的應(yīng)用

周思思 王洋洋

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，湖北 武漢430064)

0 引言

近年來海洋探索已成為國(guó)家的重大戰(zhàn)略目標(biāo)，因而對(duì)探索海洋裝備提出了更高要求。裝備性能提升伴隨而來的是其能源供需求的提高，尤其是深海潛器、水中兵器等裝備對(duì)高性能電池的需求十分迫切。兼顧能量密度和功率密度優(yōu)勢(shì)的鋰離子電池是當(dāng)下研究人員首選的電池體系。與鋰離子電池普遍商業(yè)化應(yīng)用的3C和車用領(lǐng)域不同，深海探測(cè)與水中兵器中使用的鋰離子電池充電頻次較低，對(duì)鋰離子電池的儲(chǔ)存性能要求更高。商業(yè)化鋰離子電池的自放電率一般為每月1%，無法滿足現(xiàn)有海洋裝備要求，提高鋰離子電池的儲(chǔ)存壽命是該領(lǐng)域的核心目標(biāo)。

本文將TRIZ理論的分析方法運(yùn)用到長(zhǎng)貯存壽命鋰離子電池的開發(fā)設(shè)計(jì)中，通過系統(tǒng)的問題梳理及創(chuàng)新工具的運(yùn)用，開發(fā)出行之有效的長(zhǎng)貯存壽命鋰離子電池。目前鋰離子電池存儲(chǔ)壽命的提升，主要依賴于材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。其解決方案主要集中在原子、分子、粒子等層級(jí)的設(shè)計(jì)發(fā)明，屬于納米、微米等微觀領(lǐng)域的創(chuàng)新，在發(fā)明問題的等級(jí)中屬于第5級(jí)納微領(lǐng)域的新材料發(fā)明。而TRIZ理論創(chuàng)新方法常用于解決發(fā)明問題中的2～4級(jí)發(fā)明問題，在第5級(jí)發(fā)明問題中往往較少應(yīng)用。本文的重點(diǎn)在于以長(zhǎng)貯存壽命鋰離子電池的設(shè)計(jì)開發(fā)，為TRIZ理論在納微領(lǐng)域的應(yīng)用為案例，在第5級(jí)發(fā)明問題時(shí)的解題思路。

1 TRIZ理論與納微領(lǐng)域

TRIZ理論又稱“發(fā)明問題解決理論”，是由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒樂(G.S.Altshuller)提出的，基于250萬件發(fā)明專利和大量的創(chuàng)新案例總結(jié)的科學(xué)理論。它包括專業(yè)的術(shù)語、算法以及解題工具，目前已廣泛應(yīng)用于宏觀領(lǐng)域2～4級(jí)的發(fā)明問題。

鋰離子電池作為目前全世界范圍最為熱點(diǎn)的新能源體系，已進(jìn)入了全行業(yè)范圍的高速發(fā)展時(shí)代，尤其是近年在國(guó)家的大力支持下，鋰離子電池的工藝制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，當(dāng)下待突破瓶頸技術(shù)已不僅是制備工藝技術(shù)，更是其納微領(lǐng)域的新材料技術(shù)。滿足深海探測(cè)和水中兵器使用需求的長(zhǎng)貯存壽命高比能電池設(shè)計(jì)，需要在微觀材料領(lǐng)域找到革新方案：解決在原子、分子、粒子等納微觀尺度鋰離子長(zhǎng)期穩(wěn)定貯存的難題。本文將鋰離子電池的微觀結(jié)構(gòu)及功能拆分為適合TRIZ理論分析的組件，集中在納、微米尺度進(jìn)行電化學(xué)輸運(yùn)問題解析。

2 TRIZ解題過程

TRIZ的一般解題流程如圖1所示。

圖1 TRIZ理論解題流程

運(yùn)用TRIZ解決創(chuàng)新問題的步驟如下。

第一步：描述問題。是快速找到有效解決方法的關(guān)鍵步驟。問題所在系統(tǒng)的界定是否合適，關(guān)系到解題的復(fù)雜程度、系統(tǒng)內(nèi)部的資源利用效果等關(guān)鍵要素[3]。鋰離子電池的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鋰離子電池結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)工作原理：荷電態(tài)的電池工作時(shí)，能量從正極經(jīng)過導(dǎo)電劑輸出到外電路，電流從經(jīng)過外電路的負(fù)載后回到負(fù)極，經(jīng)由負(fù)極導(dǎo)電劑在負(fù)極活性物質(zhì)上完成能量轉(zhuǎn)換變成鋰離子能量流穿過SEI(solid electrolyte interphase，固態(tài)電解質(zhì)界面)、隔膜、電解液到達(dá)CEI(cathode electrolyte interphase，正極電解質(zhì)界面)再嵌入到正極活性物質(zhì)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)前系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能為：對(duì)外輸出電能。實(shí)現(xiàn)該功能的約

束有：①應(yīng)盡量保持離子的快速傳輸通道；②保持活性鋰離子的數(shù)量；③保持正、負(fù)極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的解決方案主要包括3個(gè)方向：①對(duì)正極材料進(jìn)行改性，包覆穩(wěn)定的保護(hù)層，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可有效提升電池儲(chǔ)存性能，但會(huì)降低系統(tǒng)總能量及倍率；②使用成膜添加劑，可有效提升電池儲(chǔ)存性能，但也會(huì)降低電池倍率性能；③定期補(bǔ)充電能，可有效避免電池能量不足，但充電過程麻煩需要耗費(fèi)人力、物力。

第二步：系統(tǒng)分析及裁剪。這一步的重點(diǎn)是將定位明晰的系統(tǒng)問題轉(zhuǎn)化為TRIZ問題，為接下來利用TRIZ工具解題做鋪墊。將鋰離子電池體系內(nèi)的每一項(xiàng)功能與納微結(jié)構(gòu)化為系統(tǒng)的組件進(jìn)行分解，如圖3所示。

圖3 鋰離子電池系統(tǒng)分析

電池系統(tǒng)由正極導(dǎo)電劑、正極活性物質(zhì)、CEI、電解液、隔膜、SEI、負(fù)極活性物質(zhì)、負(fù)極導(dǎo)電劑組成。整個(gè)能量流貫穿上述組件中除隔膜外的組件。隔膜在正、負(fù)極之間起到物理隔離，避免短路的作用。

圖4 系統(tǒng)的因果分析

第三步：因果分析。通過系統(tǒng)分析得知儲(chǔ)存性能降低的關(guān)鍵在于CEI或者SEI膜的不穩(wěn)定。接下來以CEI膜為對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)的因果分析，如圖4所示。由CEI不穩(wěn)定的 “5W”分析可知，根本原因在于三點(diǎn)：①形成CEI的反應(yīng)時(shí)間很短(mS級(jí)別)；②正極材料荷電態(tài)高；③電解液溶劑易被氧化。由此處可以得到第一個(gè)方案，降低正極材料表面荷電態(tài)，具體的實(shí)施方式是將化成好的電芯在4V以下儲(chǔ)存。

第四步：資源分析。接下來針對(duì)這三個(gè)根本原因進(jìn)行資源分析，尋找系統(tǒng)內(nèi)部的資源解決問題。利用九屏幕法等資源分析方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，當(dāng)前系統(tǒng)的未來：行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為是全固態(tài)電池，而全固態(tài)電池中沒有電解液溶劑，CEI膜更加穩(wěn)定，由此得到方案2：采用全固態(tài)電池。

值得注意的是，方案2也可以由“系統(tǒng)分析與裁剪”中將價(jià)值度較低的組件“隔膜”裁剪掉，用“系統(tǒng)內(nèi)其他資源實(shí)現(xiàn)其功能”的裁剪原理引出：將原組件中的“電解液”發(fā)展成為固態(tài)電解質(zhì)以實(shí)現(xiàn)隔膜的功能，此時(shí)電池系統(tǒng)變成全固態(tài)電池。換而言之，系統(tǒng)分析與裁剪、因果分析、資源分析在分析納微領(lǐng)域的問題時(shí)，具有相通性且可靈活應(yīng)用。

第五步：嘗試使用矛盾分析、效應(yīng)庫及專利庫、物場(chǎng)分析、小人法、進(jìn)化分析等TRIZ工具進(jìn)行解題。

(1)矛盾分析與效應(yīng)庫及專利庫聯(lián)用。原來的技術(shù)方案： 包覆正極、電解液溶劑換成更為穩(wěn)定的溶劑體系，但降低了鋰離子傳輸速率、導(dǎo)致功率性能下降。采用矛盾矩陣，改善的工程參數(shù)“13：結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性”，惡化的工程參數(shù)“21功率”，通過查找矛盾矩陣，常使用的發(fā)明原理為：32、35、27、31。使用其中的35：物理/化學(xué)狀態(tài)變化，得到思路：采用相變電解質(zhì)，常溫儲(chǔ)存時(shí)電解質(zhì)是固態(tài)：穩(wěn)定不反應(yīng)，而當(dāng)電池使用時(shí)電解質(zhì)是液態(tài)且電導(dǎo)率高的電解質(zhì)。

在此思路的指導(dǎo)下查找效應(yīng)庫及專利庫，找到兩種適用不同工況需求的解決方案：

方案3：采用在40℃使用的乙酰胺電解質(zhì)體系[4]；

方案4：采用在60℃使用的低溫熔鹽體系[5]。

接下來使用標(biāo)準(zhǔn)解27：一次性用品，得到的啟示是在首次電池單體化成時(shí)一次性使用完，即電解液成膜添加劑的計(jì)量最小化，且在首次有效成膜后完全使用完。通過查找資料庫及實(shí)驗(yàn)摸索，得到方案5：采用2%已二睛成膜添加劑對(duì)系統(tǒng)最為有效[6]。

(2)物場(chǎng)分析與效應(yīng)庫及專利庫聯(lián)用。對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵作用組件CEI進(jìn)行物場(chǎng)分析如圖5所示：

圖5 原物場(chǎng)作用及所采用的物場(chǎng)

可以看出S1(CEI)對(duì)S2(正極活性物質(zhì))的保護(hù)不足，采用第2類標(biāo)準(zhǔn)解，S2.1.2雙物-場(chǎng)模型， 見圖5(右)，查找效應(yīng)庫及專利庫可得到方案6:0℃儲(chǔ)存電池，即電池在倉(cāng)庫使用時(shí)采用0℃存儲(chǔ)[7]，在使用時(shí)回到常溫狀態(tài)。

(3)小人法與效應(yīng)庫及專利庫聯(lián)用。將理想的組件CEI擬人化，其主要作用分為小人A：幫助Li離子快速通過；小人B：阻止電解液中的溶劑分子、鋰鹽的陰離子通過。目前的CEI只含有小人A，需要尋找系統(tǒng)內(nèi)的其他資源，而與CEI緊密結(jié)合的“導(dǎo)電劑”成為首要考慮對(duì)象。通過查找效應(yīng)庫及專利庫中導(dǎo)電劑的資料，找到一種氟化導(dǎo)電劑經(jīng)過微放電處理后即可變成小人B。由此得到解決方案7：將氟化導(dǎo)電劑作為正極導(dǎo)電劑，通過電場(chǎng)預(yù)先微放電，生成原位的導(dǎo)電劑碳和氟化穩(wěn)定劑(阻止電解液中的溶劑分子通過)，可同時(shí)提高電池的倍率性能和儲(chǔ)存性能。

(4)進(jìn)化樹分析、效應(yīng)庫及專利庫聯(lián)用。根據(jù)進(jìn)化樹分析的原則，電池系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的時(shí)候需要使得系統(tǒng)各個(gè)部件的發(fā)展增加適合理想度的原則：沒有正極材料也能實(shí)現(xiàn)正極材料的功能，從而達(dá)到更高的體積能量密度。通過查找效應(yīng)庫及專利庫，得到方案8：無正極的鋰空氣電池[8]。

第六步，方案評(píng)價(jià)，依據(jù)方案的可靠性、效果、成本、難易程度、創(chuàng)新性等五大要素對(duì)上述方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到排序如表1所示。

從表1可以看出，采用小人法得到的氟化導(dǎo)電劑方案從可靠性、效果、成本、難易程度、創(chuàng)新性等五大要素均表現(xiàn)十分理想，這也側(cè)面說明小人法被精準(zhǔn)的應(yīng)用時(shí)可以得到出奇制勝的效果。值得注意的是，在實(shí)際設(shè)計(jì)深海等武器裝備用電池時(shí)時(shí)，上述方案中前6中方案是同時(shí)聯(lián)用的，并且達(dá)到了將鋰離子電池5年自放電率降低到5%以內(nèi)的理想效果。換而言之，納微領(lǐng)域的系統(tǒng)中組件相互作用十分復(fù)雜，每個(gè)方案均可帶來一定的效果，但要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體性能大幅度提高，需要各方案同時(shí)配合，這是在該領(lǐng)域使用TRIZ理論解決發(fā)明問題時(shí)與其他領(lǐng)域的重要不同點(diǎn)。

表1 方案評(píng)價(jià)

3 結(jié)論

本文通過詳細(xì)案例的分析，展示了TRIZ理論在第5級(jí)發(fā)明問題——納微領(lǐng)域發(fā)明問題的具體解題流程，以幫助廣大科研工作者拓展創(chuàng)新思維?？v觀本案例的解題過程，對(duì)納微領(lǐng)域的科學(xué)問題進(jìn)行準(zhǔn)確的描述是運(yùn)用TRIZ理論解決本類問題的關(guān)鍵。TRIZ理論的常規(guī)應(yīng)用的對(duì)象為宏觀領(lǐng)域的系統(tǒng)，其組件、功能均十分明確。而納微領(lǐng)域中系統(tǒng)的工作部件尺度在納米、微米級(jí)別，其功能、作用是復(fù)雜糅合在一起的，因此系統(tǒng)問題描述的準(zhǔn)確度與科研人員的專業(yè)認(rèn)知水平、思維方式十分相關(guān)。本案例之所以可以迅速根據(jù)TRIZ工具找到8個(gè)有效的解題方案，其關(guān)鍵在于第一步問題描述的準(zhǔn)確性較高。

從各個(gè)方案得到的過程可以看出，所有的解題工具均需要與效應(yīng)庫及知識(shí)庫聯(lián)用，這是TRIZ理論應(yīng)用于第5級(jí)發(fā)明問題的特色所在。由于納微領(lǐng)域的發(fā)明難題已細(xì)分到十分細(xì)微的專業(yè)知識(shí)并且其知識(shí)庫處于數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)時(shí)期，因此在TRIZ理論工具提供具體的解題思路后，一般無法立刻得到方案?？蒲腥藛T需要根據(jù)解題思路精準(zhǔn)定位關(guān)鍵詞后查找到解題方案。值得一提的是，廣大科研工作者在日常的科研工作中，一般根據(jù)自己的專業(yè)知識(shí)直接在各類資料庫中查詢文獻(xiàn)資料并結(jié)合自己的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行解題。由本案例可知，TRIZ理論的解析可以幫助大家迅速找到全面、清晰的整理解題思路并精準(zhǔn)地定位關(guān)鍵詞，大大縮小搜索范圍，提升科研效率。