TRIZ理論在納微領域中的應用

周思思 王洋洋

(武漢船用電力推進裝置研究所，湖北 武漢430064)

0 引言

近年來海洋探索已成為國家的重大戰略目標，因而對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、水中兵器等裝備對高性能電池的需求十分迫切。兼顧能量密度和功率密度優勢的鋰離子電池是當下研究人員首選的電池體系。與鋰離子電池普遍商業化應用的3C和車用領域不同，深海探測與水中兵器中使用的鋰離子電池充電頻次較低，對鋰離子電池的儲存性能要求更高。商業化鋰離子電池的自放電率一般為每月1%，無法滿足現有海洋裝備要求，提高鋰離子電池的儲存壽命是該領域的核心目標。

本文將TRIZ理論的分析方法運用到長貯存壽命鋰離子電池的開發設計中，通過系統的問題梳理及創新工具的運用，開發出行之有效的長貯存壽命鋰離子電池。目前鋰離子電池存儲壽命的提升，主要依賴于材料科學技術的進步。其解決方案主要集中在原子、分子、粒子等層級的設計發明，屬于納米、微米等微觀領域的創新，在發明問題的等級中屬于第5級納微領域的新材料發明。而TRIZ理論創新方法常用于解決發明問題中的2～4級發明問題，在第5級發明問題中往往較少應用。本文的重點在于以長貯存壽命鋰離子電池的設計開發，為TRIZ理論在納微領域的應用為案例，在第5級發明問題時的解題思路。

1 TRIZ理論與納微領域

TRIZ理論又稱“發明問題解決理論”，是由前蘇聯發明家根里奇·阿奇舒樂(G.S.Altshuller)提出的，基于250萬件發明專利和大量的創新案例總結的科學理論。它包括專業的術語、算法以及解題工具，目前已廣泛應用于宏觀領域2～4級的發明問題。

鋰離子電池作為目前全世界范圍最為熱點的新能源體系，已進入了全行業范圍的高速發展時代，尤其是近年在國家的大力支持下，鋰離子電池的工藝制造技術實現了突飛猛進的發展，當下待突破瓶頸技術已不僅是制備工藝技術，更是其納微領域的新材料技術。滿足深海探測和水中兵器使用需求的長貯存壽命高比能電池設計，需要在微觀材料領域找到革新方案：解決在原子、分子、粒子等納微觀尺度鋰離子長期穩定貯存的難題。本文將鋰離子電池的微觀結構及功能拆分為適合TRIZ理論分析的組件，集中在納、微米尺度進行電化學輸運問題解析。

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

運用TRIZ解決創新問題的步驟如下。

第一步：描述問題。是快速找到有效解決方法的關鍵步驟。問題所在系統的界定是否合適，關系到解題的復雜程度、系統內部的資源利用效果等關鍵要素[3]。鋰離子電池的結構如圖2所示。

圖2 鋰離子電池結構

系統工作原理：荷電態的電池工作時，能量從正極經過導電劑輸出到外電路，電流從經過外電路的負載后回到負極，經由負極導電劑在負極活性物質上完成能量轉換變成鋰離子能量流穿過SEI(solid electrolyte interphase，固態電解質界面)、隔膜、電解液到達CEI(cathode electrolyte interphase，正極電解質界面)再嵌入到正極活性物質進行能量轉換。當前系統所要實現的功能為：對外輸出電能。實現該功能的約

束有：①應盡量保持離子的快速傳輸通道；②保持活性鋰離子的數量；③保持正、負極結構穩定性。

行業內現有的解決方案主要包括3個方向：①對正極材料進行改性，包覆穩定的保護層，該方法的優點是可有效提升電池儲存性能，但會降低系統總能量及倍率；②使用成膜添加劑，可有效提升電池儲存性能，但也會降低電池倍率性能；③定期補充電能，可有效避免電池能量不足，但充電過程麻煩需要耗費人力、物力。

第二步：系統分析及裁剪。這一步的重點是將定位明晰的系統問題轉化為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的每一項功能與納微結構化為系統的組件進行分解，如圖3所示。

圖3 鋰離子電池系統分析

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

圖4 系統的因果分析

第三步：因果分析。通過系統分析得知儲存性能降低的關鍵在于CEI或者SEI膜的不穩定。接下來以CEI膜為對象進行系統的因果分析，如圖4所示。由CEI不穩定的 “5W”分析可知，根本原因在于三點：①形成CEI的反應時間很短(mS級別)；②正極材料荷電態高；③電解液溶劑易被氧化。由此處可以得到第一個方案，降低正極材料表面荷電態，具體的實施方式是將化成好的電芯在4V以下儲存。

第四步：資源分析。接下來針對這三個根本原因進行資源分析，尋找系統內部的資源解決問題。利用九屏幕法等資源分析方法對系統進行分析，當前系統的未來：行業內普遍認為是全固態電池，而全固態電池中沒有電解液溶劑，CEI膜更加穩定，由此得到方案2：采用全固態電池。

值得注意的是，方案2也可以由“系統分析與裁剪”中將價值度較低的組件“隔膜”裁剪掉，用“系統內其他資源實現其功能”的裁剪原理引出：將原組件中的“電解液”發展成為固態電解質以實現隔膜的功能，此時電池系統變成全固態電池。換而言之，系統分析與裁剪、因果分析、資源分析在分析納微領域的問題時，具有相通性且可靈活應用。

第五步：嘗試使用矛盾分析、效應庫及專利庫、物場分析、小人法、進化分析等TRIZ工具進行解題。

(1)矛盾分析與效應庫及專利庫聯用。原來的技術方案： 包覆正極、電解液溶劑換成更為穩定的溶劑體系，但降低了鋰離子傳輸速率、導致功率性能下降。采用矛盾矩陣，改善的工程參數“13：結構的穩定性”，惡化的工程參數“21功率”，通過查找矛盾矩陣，常使用的發明原理為：32、35、27、31。使用其中的35：物理/化學狀態變化，得到思路：采用相變電解質，常溫儲存時電解質是固態：穩定不反應，而當電池使用時電解質是液態且電導率高的電解質。

在此思路的指導下查找效應庫及專利庫，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]。

接下來使用標準解27：一次性用品，得到的啟示是在首次電池單體化成時一次性使用完，即電解液成膜添加劑的計量最小化，且在首次有效成膜后完全使用完。通過查找資料庫及實驗摸索，得到方案5：采用2%已二睛成膜添加劑對系統最為有效[6]。

(2)物場分析與效應庫及專利庫聯用。對系統的關鍵作用組件CEI進行物場分析如圖5所示：

圖5 原物場作用及所采用的物場

可以看出S1(CEI)對S2(正極活性物質)的保護不足，采用第2類標準解，S2.1.2雙物-場模型， 見圖5(右)，查找效應庫及專利庫可得到方案6:0℃儲存電池，即電池在倉庫使用時采用0℃存儲[7]，在使用時回到常溫狀態。

(3)小人法與效應庫及專利庫聯用。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，需要尋找系統內的其他資源，而與CEI緊密結合的“導電劑”成為首要考慮對象。通過查找效應庫及專利庫中導電劑的資料，找到一種氟化導電劑經過微放電處理后即可變成小人B。由此得到解決方案7：將氟化導電劑作為正極導電劑，通過電場預先微放電，生成原位的導電劑碳和氟化穩定劑(阻止電解液中的溶劑分子通過)，可同時提高電池的倍率性能和儲存性能。

(4)進化樹分析、效應庫及專利庫聯用。根據進化樹分析的原則，電池系統進一步發展的時候需要使得系統各個部件的發展增加適合理想度的原則：沒有正極材料也能實現正極材料的功能，從而達到更高的體積能量密度。通過查找效應庫及專利庫，得到方案8：無正極的鋰空氣電池[8]。

第六步，方案評價，依據方案的可靠性、效果、成本、難易程度、創新性等五大要素對上述方案進行評價，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電劑方案從可靠性、效果、成本、難易程度、創新性等五大要素均表現十分理想，這也側面說明小人法被精準的應用時可以得到出奇制勝的效果。值得注意的是，在實際設計深海等武器裝備用電池時時，上述方案中前6中方案是同時聯用的，并且達到了將鋰離子電池5年自放電率降低到5%以內的理想效果。換而言之，納微領域的系統中組件相互作用十分復雜，每個方案均可帶來一定的效果，但要實現系統的整體性能大幅度提高，需要各方案同時配合，這是在該領域使用TRIZ理論解決發明問題時與其他領域的重要不同點。

表1 方案評價

3 結論

本文通過詳細案例的分析，展示了TRIZ理論在第5級發明問題——納微領域發明問題的具體解題流程，以幫助廣大科研工作者拓展創新思維。縱觀本案例的解題過程，對納微領域的科學問題進行準確的描述是運用TRIZ理論解決本類問題的關鍵。TRIZ理論的常規應用的對象為宏觀領域的系統，其組件、功能均十分明確。而納微領域中系統的工作部件尺度在納米、微米級別，其功能、作用是復雜糅合在一起的，因此系統問題描述的準確度與科研人員的專業認知水平、思維方式十分相關。本案例之所以可以迅速根據TRIZ工具找到8個有效的解題方案，其關鍵在于第一步問題描述的準確性較高。

從各個方案得到的過程可以看出，所有的解題工具均需要與效應庫及知識庫聯用，這是TRIZ理論應用于第5級發明問題的特色所在。由于納微領域的發明難題已細分到十分細微的專業知識并且其知識庫處于數據爆炸式增長時期，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。科研人員需要根據解題思路精準定位關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，一般根據自己的專業知識直接在各類資料庫中查詢文獻資料并結合自己的實驗進行解題。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地定位關鍵詞，大大縮小搜索范圍，提升科研效率。