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电池研究专家王朝阳:“充电8分钟、续航1000公里”电动车可信吗?

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  新能源汽车注定是2021年的民众关注焦点。

  新年初始,国内多家公司宣称将推出续航超过1000公里的纯电动汽车,而中国科学院院士欧阳明高在1月16日对此表达了不认可:“如果有人说,他的电动车既能跑1000公里,又能几分钟充完电,而且还特别的安全、成本还非常低,大家不用相信,因为这在目前是不可能同时达到的。”

  这碗“冷水”泼得正是时候。超长续航到底是否实用?超大容量电池+超快充能否满足安全性要求?这些关系消费者痛点的问题需要业内沉着的剖析。

  我们连线了美国国家发明家科学院院士,宾夕法尼亚州立大学机械工程、化学工程和材料科学与工程系讲席教授王朝阳,请他来谈谈电动车电池的发展。

  王朝阳研究工作集中于电池和燃料电池中的运输、材料制造和建模等方面,他拥有 90 多项专利(美国、中国、欧盟和日本)。他关于全气候电池(ACB)技术的研究发表在《自然》杂志上,后来被 2022 年冬季奥运会选中,为奥运会的电动汽车提供动力。他还在2019年发布了一项快充技术称,10 分钟充电可让电动汽车充满 80%,续航 300 公里到 400 公里,并且经过 2500 次充放电后,电池容量只有 8.3% 的损耗。就在最近,王朝阳团队开发了一种热调控磷酸铁锂电池(TMB),可以满足低成本、超安全、长寿命、全气候等多方面需求,这项成果于2021年1月18日发表在能源领域世界最顶级期刊《自然•能源》杂志。

  谈到电池的热点新闻,他一再强调能量守恒定律。他说,“所有的新闻、所有的发布或者我们在听到的一些故事,用简单的能量守恒定律去分析它,就可以知道它的真实性,以及它的靠谱程度。”


  王朝阳教授。图片:宾夕法尼亚州立大学

  王朝阳教授。图片:宾夕法尼亚州立大学

  为何鸭:最近欧阳明高院士批评了超长续航和超级快充,这是工业界跟实验室研究的错位吗?还是说企业有一些夸大的成分?

  王朝阳:这在科学跟商业两方面都有问题。

  商业问题很简单,假如说1000公里续航的话,大概需要150度电,所以就算10分钟充好150度电的话,大概需要900千瓦充电功率的充电桩,而900千瓦充电桩目前是没有的,最大功率的特斯拉第三代充电桩是250千瓦,所以从商业角度肯定是没有可行性的。

  从科学角度也有很大的问题,续航里程这么长,电池肯定是高能量密度的,比如说6个倍率的充电,在科学上目前还不成立,至少没有这样的报道,没有经过同行科学家评审过的报道。

  实际上快充有一个非常简单的科学判决,就是3个数据要并存,缺一不可。第一是充电时间;第二是充电后得到了多少能量或续航里程;第三个数据就是电池能够循环多少次,这个也很重要。假如充电很快,得到的能量也很多,但是只充一两次就把电池废了,这也不算是新技术,我们大学一年级的同学都会做。

  这三个数据缺一不可,有了这个法则,基本上媒体或者企业发布的任何快充的消息都可以自行判断。

  能源这个行业一定要遵守能量守恒定律,就是说充电功率乘上充电时间等于多少能量,用简单的能量守恒定律,马上就可以推算出他们在讲什么。

  为何鸭:公众对一些黑科技的期待值比较高,希望有一个突破性的技术出来。

  王朝阳:大家都在期望,但所有的黑科技一定是基于能量守恒定律的。这个是基本的规则。假如发现黑科技是永动机,它不符合能量守恒,这个技术问题就很大了。

  为何鸭:我们来看你们刚刚发表的研究,这个低成本的电池跟2019年10月份发布的快充技术相比,根本的区别在哪?

  王朝阳:最根本的区别是,我们这项研究聚焦于一个主题,降低电池成本。

  我们就是希望能够把电池的成本降到跟燃油发动机差不多的水平,这样就可以普及大众市场的电动汽车。它的意义对减少碳排放非常大,光是卖几千辆高端电动车,碳中和是无法实现的。

  更形象、更简单的表述就是我们把电池包小型化,然后让单位成本保持比较低的水平,就能达到电池整个成本的降低。

  这个方向跟国内很多车企的方向正好相反,国内都是长续航,要开发1000公里续航的电池,150度的电池是什么概念?按照现在三元锂电池,比如说一瓦是一块钱,这150度电池就是15万人民币。这个车子不是大众市场的电动汽车,电池成本太高了。

  再加上你拖着这么大的一个电池到处跑,这个很危险对吧?那是一个大的能量包。

  所以我们把以前的一些技术都应用到新电池上面,包括传统的磷酸铁锂在冬天性能非常差,我们的电池就不受环境温度的影响,因为我们的一定要事先预热到60度才工作,它永远可以给你好的性能。

  这个全天候电池测试过。2022年的冬奥会就采用了这款电池,有大量整车的试验结果,包括这些车队在东北黑河的实验结果。


  高温下充电会加快,金色小球代表锂离子。图片:宾夕法尼亚州立大学

  高温下充电会加快,金色小球代表锂离子。图片:宾夕法尼亚州立大学

  为何鸭:请你科普一下全天候电池(自加热电池)。

  王朝阳:传统的锂离子电池特别怕冷,温度低的话,锂离子在正极负极之间的传输受到很大的障碍,所以它的性能要降低很多,降低9倍到10倍的样子。

  传统的办法是利用外部加热,但耗能比较大,并且不是很直接,需要的时间很长,需要一小时以上,所以不能满足消费者马上就能用的需求,并且在冬天快速充电更不可能。

  我们的全天候电池就是在电芯当中给它增加一个镍片,只有10个微米的镍箔,镍箔可以产生自加热,让电池的温度迅速上来。尽管环境的温度是零下,我们做到了温升在60~200度每分钟,而传统的外部加热一般是温升在0.5~1度每分钟,我们这个速度提高了两个量级。一般只要用几十秒时间就可以让电池热起来,然后正常工作。

  另外,我们经过大量的实验研究发现,这种自加热方法消耗的能量非常小。

  为何鸭:这个办法本质上是主动控制,不改变材料本身,安全性也没有变化,能够迅速让电池达到一个适当的充电的温度,对吧?

  王朝阳:对。我们最早提出结构创新,传统电池的结构就是正极、负极与隔膜,叫三部件结构。我们增加了第4个部件镍箔,放进去以后,它可以自己储能,自己调节温度。

  为何鸭:提到固态电池这个概念,我看有公司已经在推这个产品了,但是有的人说他这个是半固态的电池。请你科普一下固态电池跟三元电池、磷酸铁锂电池本质的区别在哪?是液态跟固态的差别吗?

  王朝阳:固态电池的真正意义,是把原来我们常规的磷酸铁锂、三元电池当中的电解液,用固体的电解质来取代。但固态电池的研发,离真正商业化应该还有很远的距离。

  你可以从媒体报道或者从公司发布的消息当中看到,我们的研发人员和企业,基本上都还没有想清楚到底要做什么样的固态电池产品。

  为什么这么说?我可以举几个例子。第一个例子,你在媒体当中可能会经常听说,固态电池的离子导电率太低了,固-固界面电阻太大了;同时你又看到说固态电池可以快充。这是互相矛盾的,一个大内阻的电池怎么可以快充?那是不可能的。

  有的人讲半固态电池,意思就是说正极里头还有电解液,有一半以上的危险的电解液还留在电池里面,这能安全吗?

  为何鸭:包括丰田在内,一些大公司说将来要做固态电池,是因为固态电池的安全性更好?

  王朝阳:固态电池大家都要去做,认为是下一个发展的方向。每个企业有自己的考虑,不但是科学技术发展的原因,还有企业的定位、投资的方向。但是固态电池一定安全吗?我们有时候想当然认为是安全的,但是你真正好好去想的话,会发现它有很多不安全因素。

  第一,假如某公司固态电池做成150度电,这个是很大的一个能量包,即使是固态,扛着这么大能量包到处跑,也是不安全的。一旦放电、也就是全部电能放出来的话,电池的温升应该在1500度以上。

  也就是,如果某个部位短路,电能一瞬间就释放出来的话,电池材料要达到的温度是1500度以上,没有任何材料是安全的。即使10%的电量被瞬间放出来,固态电池的温度就达到了180度,锂金属也熔化了。

  为何鸭:回到40千瓦时的电池,是小容量的话更容易控制安全性吗?

  王朝阳:我们发明的40千瓦时电池是目前所有的市场上最安全的电池。第一,毕竟只有40千瓦时。第二,它的正极是用了磷酸铁锂,这是非常安全、热稳定相当好的一个材料。第三,我们尽管也是石墨负极,但因为在60度工作,我们可以把石墨颗粒做大,比表面积可以小,这也提高了安全跟热稳定性。第四,我们用的低电压的电解液,因为磷酸铁锂它的电压只有3.6/3.7伏,而三元是4.2/4.3伏,所以电解液更安全。

  为何鸭:还有个概念需要解释一下,现在讲石墨烯跟石墨负极是什么关系?石墨烯为什么是热点?

  王朝阳:大部分的使用场合中,石墨烯只是一个导电剂,增加电子导电率,所以它的用量很少,比如说1%、2%、3%,而石墨是一个储能材料。打个比方,这个石墨是让你吃饱的东西,而石墨烯只是味精,调料。

  为何鸭:对于三元锂电池和磷酸铁锂电池的二选一争论,你觉得未来应该如何选?

  王朝阳:三元电池能量密度要高一些,但是缺点是它的安全性要差一点,成本也高,还需要用到钴,钴是一个战略性的金属,所以有明显的缺点。

  电芯材料的能量密度高了以后,安全性就差了,就要在电池包上做更多的安全装置,来防止三元电池产生不安全。而在电池上加装另外的装置以后,它会降低整个系统的能量密度,所以150千瓦时的电池肯定不会去选择比较重的磷酸铁锂,那样这个车子大概就没有乘客了。而把电池做小了以后,磷酸铁锂就是非常好的一个选择,因为它有不可超越的优点,就是安全性特别好,成本特别低。

  所以在不同的场合,这两种电池都会有用处。最近我们在做飞行汽车的电池,就是电动飞机的电池,以后咱们都可以坐着飞行汽车去上班了。飞行汽车它可以利用三维的交通网络,能够没有堵车情况下到达目的地。对飞行汽车,三元电池会是一个首选,因为毕竟飞机是要飞上去的,对重量特别敏感。

  我也不能用小型化技术来做飞行汽车的电池,你总不能飞5分钟就需要补能,在空中也没办法实现10分钟补能,所以我觉得这两个技术在不同的场合都有自己的用途。


  日本SkyDrive飞行汽车公司的首席工程师兼测试飞行员Toshiro Ando走下SD-03飞行汽车。图片:CFP

  当地时间2020年8月25日,日本爱知县丰田市,在丰田试验场,日本SkyDrive飞行汽车公司的首席工程师兼测试飞行员Toshiro Ando走下SD-03飞行汽车。图片:CFP

  为何鸭:提到飞行汽车我也很好奇,包括国内也有公司在做这方面项目,如果用燃油发动机做动力,不是一样吗?

  王朝阳:我们现在的飞行汽车垂直升降,它是大都市使用的交通工具,对污染、噪声都是非常敏感的,所以用燃油现在不是一个发展方向。

  未来飞行器会做成无人驾驶的智能型,没有驾驶员就可以省一个座位的空间和一个人的重量,这样它必须要配备比较大的电脑,然后有很多数据处理的功能,这时候需要大电池,所以即使用汽油机的话,还得配一个大电池,这样的话整个重量会超出纯电动的做法。

  燃油车转变成智能汽车有一个巨大的障碍,因为用到的一些传感器,都是需要电力控制的。包括刹车,用电控制都会更快、更精确。

  为何鸭:谈到未来的趋势,丰田也在推氢能电池的电动车。在中国,北京也有氢能电池试点,在你看来,氢能电池的趋势是什么?

  王朝阳:氢能燃料电池,我本人也研究了十几年。它的最大毛病,一是成本太高,另外一个问题就是寿命还不够。它需要科学上的突破,让成本降一个量级,然后才能谈商业化,目前离普通消费者还有一些距离。

  过去的20年,至少国际上有20个公司,每个公司在氢能燃料电池上面投入差不多20亿美元。我的实验室在这方面已经投入大约3亿人民币做研发,写了一些论文,但是我还不敢有商业化的想法。

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