科學大家|開啓電池快充新紀元，實現“飛行”夢

王朝陽：儲能技術是實現雙碳目標的關鍵

演講者：王朝陽

出品：騰訊WE大會新浪科技《科學大家》

王朝陽：電池技術科學家，美國國家發明家科學院院士，賓夕法尼亞州立大學講席教授。

大家好！我是王朝陽，來自美國賓夕法尼亞州立大學，在這裏與大家分享電池與儲能的未來。

電池是以化學能形式儲存的裝置，使用時直接轉換爲電能輸出，用完充電又把電能直接轉換爲化學能存儲起來。2019年的諾貝爾化學獎就是授予了來自美國與日本的三位科學家，表彰他們在鋰離子電池方面的科學貢獻。

大家都知道，電池與我們的生活息息相關，從3C數碼到電動汽車再到航空航天等電池無處不在，而且電池技術往往決定新產業的崛起，比如沒有鋰離子電池就不會有智能手機，更談不上電子商務5G通信等，同樣也不會有新能源汽車的革命。

當前人類面臨着日益嚴峻的氣候變化危機，能源轉型勢在必行，大力發展可再生能源，實現碳達峯碳中和的目標，是整個人類社會的共同責任。可再生能源比如太陽能風能都屬於間歇性能源，只有通過儲能纔有使用價值，所以儲能技術是實現雙碳目標和能源革命的關鍵核心技術，具有重大的戰略意義。

電池儲能的應用之大影響之深，也決定了它面臨多維度的巨大挑戰，它需要非常豐富大量的成本低廉的原材料，要有極高的安全性，能夠保障人們的生命和財產安全，還要高能量密度高功率可快充長壽命，還有無論炎熱地帶和寒冷地區，電池必須在全溫域都保持良好的性能壽命和安全性。

近100年來，電池技術的改進基本上來源於材料的創新，我們熟悉的主流電池從鉛酸電池改進到鎳氫電池，然後轉變到現在的鋰離子電池。鉛酸電池最常見的是在我們的電動自行車上或者燃油車的啓動電池，鎳氫電池著名的一個應用例子就是豐田的普瑞斯油電混動汽車，當然鋰離子電池現在在我們社會的每一個角落，但即使是最新的鋰離子電池技術也已經有了30年的發展歷程，在科技日新月異的今天，我們經常會感覺到電池技術的力不從心，發展太慢，無法滿足我們高速發展的應用場景，甚至滿足不了人們的一些小小願望，比如說可以有一週只充一次電的手機嗎？有永不自燃的電動汽車嗎？

爲了這些問題，爲了加快電池技術的發展，科學家們一直在問：除了材料創新之外，有沒有可能顛覆200多年以來一成不變的電池結構呢？有沒有更好的工作生態，可以讓電池材料發揮出更大的潛能讓電池技術突飛猛進呢？

在回答這個基本的科學問題之前，讓我們先來看一下這200多年以來一成不變的電池結構。它有三種材料組成：負極材料正極材料兩者之間有電解液隔開，這種結構自然地形成了兩種界面。一存在於正極材料和電解液之間；二是在負極材料和電解液之間，而這兩種界面之間存在着電勢差也就給出了電池的電壓。對鋰離子電池來講這個電壓大約在4伏左右，顯然電池內的反應界面是永遠存在的而且一直在工作着，無論我們使用還是不使用電池，比如說我們把電動汽車停在車庫裏關掉汽車，這個時候不用電池，但是我們仍然可以測量到電池的最大電壓，這就說明電池裏的反應界面仍然存在而且活躍地工作，而這個永遠存在的反應界面剛好是電池的安全隱患和衰老的最根本原因。

我們想象一下，假如在這兩種界面之間不小心存在一個短路的導體，那麼在電壓下面，就會有巨大的短路電流，可以引爆電池。我們用簡單的能量平衡計算就可以發現，假如說內短路讓電池的電量100%地釋放出來，那麼電池的溫度會升到1500度，這是非常可怕的後果。

我們再看一個例子來充分體會一下這種永遠存在的反應界面所帶來的弊病。在冬天的時候比如說在負的30度，鋰電池是非常怕冷的，它要損失功率9~10倍，所以我們經常聽到電動汽車在冬天“趴窩”，更糟糕的是在寒冷的天氣中電池是沒有辦法充電的，所以我們沒有辦法回收剎車產生的制動能量，這制動能量可以佔到20~25%的續航里程，是相當大的能量，這樣就產生了一個很尷尬的局面。一方面車企希望駕駛員在冬天開車不要打開暖氣，節省電量穿着很厚的棉大衣，但同時電池又沒有辦法把剎車產生的巨大能量回收到電池裏頭，而是白白浪費在剎車皮上，這是一個非常不完美的產品。

那我們的電化學家和電池工程師想了非常多的材料解決方法，比如在電解液當中摻入大量的高揮發性易燃的線性碳酸酯，這樣可以大大降低電解液的凍結溫度，確實改善了低溫性能，但同時也讓鋰電池的電解液沾上了易燃的惡名，我們在媒體上經常聽到電池的電解液是可燃的，這就是解決低溫問題產生的後遺症。

另外可以使用高表面積的電極材料增加活性，或者採用高能量的電極材料，比如說三元材料就比磷酸鐵鋰在冬天表現的好，這樣我們就用高活性材料來構造了這麼一個電池，確實可以解決冬天的問題，但是同樣由高活性材料組成的電池，在炎熱的夏天它就完全沒有抵抗熱失控的能力，因爲我們把電解液變成高揮發性易燃，把電極材料變成了熱不穩定，在夏天很容易就產生電池起火甚至爆炸造成巨大的損失，最近的一起整車召回經濟損失達到18億美金就是一個很好的警醒。

那麼電芯安全有問題我們的工程師說有辦法，可以把這些易燃易爆的電芯封裝在銅牆鐵壁的容器當中，加上防火牆到處埋上滅火材料，甚至再安裝上澆水滅火系統這樣就可以保障電池系統的安全，這些舉措我們統稱管理系統，但是所有的管理措施它是不增加能量而是增加了電池的重量體積和成本，馬上導致了電池整個系統的能量密度下降和單位成本的增加。這樣我們解決了一個低溫問題，冒出來兩個新的問題：能量密度下降和成本上升。

我們電化學家和電池工程師每天都是在這樣的折中做着痛苦的選擇，最根本的原因還是因爲電池內的反應界面是永遠存在，而電池材料自身無法同時滿足低溫高活性和高溫穩定性，也就是說要讓材料在低溫的時候很活躍，在高溫的時候很穩定，這個看上去幾乎是一個無解的難題。那麼對這樣一個難題一個很有意思的想法就來了，有沒有一種電池，我們在不使用的時候可以把反應界面關掉一些，提高安全性，然後在使用的時候把界面調大、調強，給出工作時所需要的高功率呢？

在過去10多年中，我的團隊一直在尋找和探索這種可調控界面的電池，確實我們找到了一種熱調控的方法，利用瞬間熱刺激，大概需要10~30秒鐘消耗1%~3%的電量，我們就可以把電化學界面調大調強。有了這個快捷低能耗的熱刺激方法，我們就可以用最穩定最安全的材料製作電池，在不使用的時候電池內的化學界面當然是保持最低的水平，保障了電池的絕對安全和最低的老化速率。而工作的時候，用熱刺激可以把電池裏的反應界面瞬間調大調強來提供高功率快充能力，甚至是在任何低溫環境中都有非常良好的性能，等到電池工作完了，自然冷卻可以在5分鐘內把電池溫度降到40度以下，這樣電池回到它的原始狀況，是安全的穩定的或者說是低調的。

那麼熱調控的範圍有多少呢？我們來看一組實驗數據，圖表的豎座標是用可以測量的電池內阻來反面地表徵電池的活性，內阻和活性是成反比關係的。我們看到熱調控可以把電池的內阻從1000降到15歐姆平方釐米，也就是說把電池的活性增加60倍，說明熱調控的範圍可以在60倍之間操作。更驚喜的是，我們可以從圖上看到實驗證明了我們熱調控機理適用於所有的化學和材料體系，無論是鋰離子電池鋰、金屬電池或者全固態電池，我們都可以做到60倍的調控範圍，所以現在我們有了一個快速的低能耗的調控範圍大的調節界面的方法，我們就可以發明和創造新型的電池。

針對前面講到的低溫痛點，我們發明了全氣候電池，這是在不改變電池材料危險性的基礎下，也就是說不增加電解液的可燃性，也不改變電極材料的熱穩定性，而是在電池的內部植入一片10微米厚度的鎳箔作爲發熱體，這個厚度只有人的頭髮絲的1/10，所以幾乎不增加電池的體積和重量。

有了發熱體然後利用電池自帶的能量，再加上一個開關我們就可以隨意調控電池的活性，那麼哪怕在負30度的環境裏凍透的電池，我們也只需要30秒時間，就可以讓電池自加熱到零度以上正常工作，所以這種全氣候電池的優點是：

一、30秒之內快速地給出高功率

二、可以自加熱不需要附帶其他的能量源

三、也是最重要的一點是它不損害電池的安全作爲代價，沒有改變材料的活性，或者說安全性，達到了電池在極低溫度下照常工作的目的

從實驗室的科學發現到產品化商業化又是一個艱難的歷程，我要感謝我們的合作者和參與企業，他們花了三年時間從18年到20年連續三年，在東北海拉爾進行實地車隊的試驗，充分驗證全氣候電池的功能性能和壽命，爲全氣候電池投放明年冬奧會作出有力的保障。

熱調控原理讓我們也發明了10分鐘快充電池，因爲快充的科學要求是電池的活性足夠高，鋰離子在兩電極之間傳遞的足夠快，而我們熱調控機理可以讓電池做到這些，所以未來當電動汽車來到快充樁之前，我們可以給電池來一個30秒的熱刺激，然後再在10分鐘之內把大電流充到電池當中。

我們目前能夠做到的最好水平是充電10分鐘獲得200Wh/kg的能量，然後可以如此快充上千次以上，沒有損害。10分鐘快充電池的應用和推廣將是電動汽車的一個重要里程碑，因爲它提供了一種快速便捷的補能方法，一定會引發電動汽車和許多應用場景的革命性變化。比如說原來電動汽車需要80度電來消除里程焦慮，現在可以縮小到40度電的，儘管續航里程只有300公里，但是有了隨時隨地的快速補能，10分鐘以後又可以有三百公里的續航，不再有里程焦慮，而這樣做我們降低了車載電池的一半成本和節省原材料消耗50%，也就是說一輛車上的電池可以用在兩輛車上，是真正實踐“少就是多”的哲理。

快充電池技術也爲未來飛行汽車實現商業化的最重要的先決條件。飛行汽車是我個人的夢想，希望能夠在退休之前駕駛飛行汽車去上班，這樣可以繞開地面的交通擁堵，但是飛行汽車對電池的要求相當高，目前全世界最看好的垂直升降飛行汽車或者空中出租車，必須在每次降落以後馬上對電池進行快速的補能，所以我們必須要有快充電池才能讓飛行汽車變成現實。

目前我們的實驗結果，已經證實了10分鐘快充電池用於飛行汽車的可行性和經濟性。那我們也肯定會問：是不是可以用調控界面的原理來開發出永不自燃的安全電池，而且不但要高安全還要大比能呢？這就是我們發明的碩安電池。

碩就是指大比能，碩安電池使用簡單的電解液添加劑來進一步鈍化電池中的電化學界面，這裏關鍵是鈍化把電化學界面鈍化，我們的實驗發現只要加1.5%的磷酸三烯丙酯，就可以讓電池的活性降低4倍，想象一下一個反應界面被關閉掉3/4只剩1/4的電池，是不是非常安全呢？

確實我們把這種鈍化過的電池進行最嚴苛的針刺實驗，即使是採用最大的能量密度的電芯，290瓦時每公斤而且用最不穩定的三元811材料，針刺的最高溫度也不超過55度，這比磷酸鐵鋰電池針刺溫度60度還要低，也就是說我們可以把極高能量密度的三元電池，做的比普通的磷酸鐵鋰電池還安全。

那麼你的問題可能就來了，這樣一個鈍化掉的電池，也就是隻剩1/4反應界面的電池，又怎樣讓它在工作的時候呈現出高功率呢？

還是一樣的熱刺激辦法，我們可以在工作之前把鈍化的電池從常溫加熱到60度，就可以激發出對比電池1.7倍的功率，這就是“鈍化電池，加熱使用”的獨特設計原則。我們還發現了一種熱調控磷酸鐵鋰電池，它克服了原有的磷酸鐵鋰電池的三大痛點：一解決了低溫性能差的問題，因爲有了熱刺激的功能，我們不再依賴於磷酸鐵鋰材料本身的低溫性能，比如說在冬天裏，我們可以讓電池的溫度在30秒之內迅速地升溫到0度以上，從而輸出正常的高功率。

第二我們可以實現10分鐘快充，這個意義非常大，因爲10分鐘快速便捷的補能就能讓磷酸鐵鋰直接避開他能量密度比較低的缺陷，這個時候里程焦慮不再是問題，因爲隨時隨地都可以便捷地補能。

第三它可以讓我們使用非燃電解液，這樣讓磷酸鐵鋰電池的安全性都更上一層樓，在繼續的研究中，我們又研發出第二代熱調控磷酸鐵鋰電池，目前在實驗室我們已經做到300瓦時每公斤的能量密度併成本有望降至每瓦時3毛5。新成果再加上第一代的其他優勢，例如10分鐘快充，不怕冷，還有不含鈷，鈷是戰略性金屬，沒有熱管理系統，這應該是一款幾乎接近終極的電池，可滿足絕大部分的應用需求。