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科学大家|开启电池快充新纪元,实现“飞行”梦

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王朝阳:储能技术是实现双碳目标的关键

演讲者:王朝阳

出品:腾讯WE大会 新浪科技《科学大家》

王朝阳:电池技术科学家,美国国家发明家科学院院士,宾夕法尼亚州立大学讲席教授。

大家好! 我是王朝阳,来自美国宾夕法尼亚州立大学,在这里与大家分享电池与储能的未来。

电池是以化学能形式储存的装置,使用时直接转换为电能输出,用完充电又把电能直接转换为化学能存储起来。2019年的诺贝尔化学奖就是授予了来自美国与日本的三位科学家,表彰他们在锂离子电池方面的科学贡献。

大家都知道,电池与我们的生活息息相关,从3C数码到电动汽车再到航空航天等电池无处不在,而且电池技术往往决定新产业的崛起,比如没有锂离子电池就不会有智能手机,更谈不上电子商务5G通信等,同样也不会有新能源汽车的革命。

当前人类面临着日益严峻的气候变化危机,能源转型势在必行,大力发展可再生能源,实现碳达峰碳中和的目标,是整个人类社会的共同责任。可再生能源比如太阳能风能都属于间歇性能源,只有通过储能才有使用价值,所以储能技术是实现双碳目标和能源革命的关键核心技术,具有重大的战略意义。

电池储能的应用之大影响之深,也决定了它面临多维度的巨大挑战,它需要非常丰富大量的成本低廉的原材料,要有极高的安全性,能够保障人们的生命和财产安全,还要高能量密度高功率可快充长寿命,还有无论炎热地带和寒冷地区,电池必须在全温域都保持良好的性能寿命和安全性。

近100年来,电池技术的改进基本上来源于材料的创新,我们熟悉的主流电池从铅酸电池改进到镍氢电池,然后转变到现在的锂离子电池。铅酸电池最常见的是在我们的电动自行车上或者燃油车的启动电池,镍氢电池著名的一个应用例子就是丰田的普瑞斯油电混动汽车,当然锂离子电池现在在我们社会的每一个角落,但即使是最新的锂离子电池技术也已经有了30年的发展历程,在科技日新月异的今天,我们经常会感觉到电池技术的力不从心,发展太慢,无法满足我们高速发展的应用场景,甚至满足不了人们的一些小小愿望,比如说可以有一周只充一次电的手机吗?有永不自燃的电动汽车吗?

为了这些问题,为了加快电池技术的发展,科学家们一直在问:除了材料创新之外,有没有可能颠覆200多年以来一成不变的电池结构呢?有没有更好的工作生态,可以让电池材料发挥出更大的潜能让电池技术突飞猛进呢?

在回答这个基本的科学问题之前,让我们先来看一下这200多年以来一成不变的电池结构。它有三种材料组成:负极材料正极材料两者之间有电解液隔开,这种结构自然地形成了两种界面。一存在于正极材料和电解液之间;二是在负极材料和电解液之间,而这两种界面之间存在着电势差也就给出了电池的电压。对锂离子电池来讲这个电压大约在4伏左右,显然电池内的反应界面是永远存在的而且一直在工作着,无论我们使用还是不使用电池,比如说我们把电动汽车停在车库里关掉汽车,这个时候不用电池,但是我们仍然可以测量到电池的最大电压,这就说明电池里的反应界面仍然存在而且活跃地工作,而这个永远存在的反应界面刚好是电池的安全隐患和衰老的最根本原因。

我们想象一下,假如在这两种界面之间不小心存在一个短路的导体,那么在电压下面,就会有巨大的短路电流,可以引爆电池。我们用简单的能量平衡计算就可以发现,假如说内短路让电池的电量100%地释放出来,那么电池的温度会升到1500度,这是非常可怕的后果。

我们再看一个例子来充分体会一下这种永远存在的反应界面所带来的弊病。在冬天的时候比如说在负的30度,锂电池是非常怕冷的,它要损失功率9~10倍,所以我们经常听到电动汽车在冬天“趴窝”,更糟糕的是在寒冷的天气中电池是没有办法充电的,所以我们没有办法回收刹车产生的制动能量,这制动能量可以占到20~25%的续航里程,是相当大的能量,这样就产生了一个很尴尬的局面。一方面车企希望驾驶员在冬天开车不要打开暖气,节省电量穿着很厚的棉大衣,但同时电池又没有办法把刹车产生的巨大能量回收到电池里头,而是白白浪费在刹车皮上,这是一个非常不完美的产品。

那我们的电化学家和电池工程师想了非常多的材料解决方法,比如在电解液当中掺入大量的高挥发性易燃的线性碳酸酯,这样可以大大降低电解液的冻结温度,确实改善了低温性能,但同时也让锂电池的电解液沾上了易燃的恶名,我们在媒体上经常听到电池的电解液是可燃的,这就是解决低温问题产生的后遗症。

另外可以使用高表面积的电极材料增加活性,或者采用高能量的电极材料,比如说三元材料就比磷酸铁锂在冬天表现的好,这样我们就用高活性材料来构造了这么一个电池,确实可以解决冬天的问题,但是同样由高活性材料组成的电池,在炎热的夏天它就完全没有抵抗热失控的能力,因为我们把电解液变成高挥发性易燃,把电极材料变成了热不稳定,在夏天很容易就产生电池起火甚至爆炸造成巨大的损失,最近的一起整车召回经济损失达到18亿美金就是一个很好的警醒。

那么电芯安全有问题我们的工程师说有办法,可以把这些易燃易爆的电芯封装在铜墙铁壁的容器当中,加上防火墙到处埋上灭火材料,甚至再安装上浇水灭火系统这样就可以保障电池系统的安全,这些举措我们统称管理系统,但是所有的管理措施它是不增加能量而是增加了电池的重量体积和成本,马上导致了电池整个系统的能量密度下降和单位成本的增加。这样我们解决了一个低温问题,冒出来两个新的问题:能量密度下降和成本上升。

我们电化学家和电池工程师每天都是在这样的折中做着痛苦的选择,最根本的原因还是因为电池内的反应界面是永远存在,而电池材料自身无法同时满足低温高活性和高温稳定性,也就是说要让材料在低温的时候很活跃,在高温的时候很稳定,这个看上去几乎是一个无解的难题。那么对这样一个难题一个很有意思的想法就来了,有没有一种电池,我们在不使用的时候可以把反应界面关掉一些,提高安全性,然后在使用的时候把界面调大、调强,给出工作时所需要的高功率呢?

在过去10多年中,我的团队一直在寻找和探索这种可调控界面的电池,确实我们找到了一种热调控的方法,利用瞬间热刺激,大概需要10~30秒钟消耗1%~3%的电量,我们就可以把电化学界面调大调强。有了这个快捷低能耗的热刺激方法,我们就可以用最稳定最安全的材料制作电池,在不使用的时候电池内的化学界面当然是保持最低的水平,保障了电池的绝对安全和最低的老化速率。而工作的时候,用热刺激可以把电池里的反应界面瞬间调大调强来提供高功率快充能力,甚至是在任何低温环境中都有非常良好的性能,等到电池工作完了,自然冷却可以在5分钟内把电池温度降到40度以下,这样电池回到它的原始状况,是安全的稳定的或者说是低调的。

那么热调控的范围有多少呢?我们来看一组实验数据,图表的竖坐标是用可以测量的电池内阻来反面地表征电池的活性,内阻和活性是成反比关系的。我们看到热调控可以把电池的内阻从1000降到15欧姆平方厘米,也就是说把电池的活性增加60倍,说明热调控的范围可以在60倍之间操作。更惊喜的是,我们可以从图上看到实验证明了我们热调控机理适用于所有的化学和材料体系,无论是锂离子电池锂、金属电池或者全固态电池,我们都可以做到60倍的调控范围,所以现在我们有了一个快速的低能耗的调控范围大的调节界面的方法,我们就可以发明和创造新型的电池。

针对前面讲到的低温痛点,我们发明了全气候电池,这是在不改变电池材料危险性的基础下,也就是说不增加电解液的可燃性,也不改变电极材料的热稳定性,而是在电池的内部植入一片10微米厚度的镍箔作为发热体,这个厚度只有人的头发丝的1/10,所以几乎不增加电池的体积和重量。

有了发热体然后利用电池自带的能量,再加上一个开关我们就可以随意调控电池的活性,那么哪怕在负30度的环境里冻透的电池,我们也只需要30秒时间,就可以让电池自加热到零度以上正常工作,所以这种全气候电池的优点是:

一、30秒之内快速地给出高功率

二、可以自加热不需要附带其他的能量源

三、也是最重要的一点是它不损害电池的安全作为代价,没有改变材料的活性,或者说安全性,达到了电池在极低温度下照常工作的目的

从实验室的科学发现到产品化商业化又是一个艰难的历程,我要感谢我们的合作者和参与企业,他们花了三年时间从18年到20年连续三年,在东北海拉尔进行实地车队的试验,充分验证全气候电池的功能性能和寿命,为全气候电池投放明年冬奥会作出有力的保障。

热调控原理让我们也发明了10分钟快充电池,因为快充的科学要求是电池的活性足够高,锂离子在两电极之间传递的足够快,而我们热调控机理可以让电池做到这些,所以未来当电动汽车来到快充桩之前,我们可以给电池来一个30秒的热刺激,然后再在10分钟之内把大电流充到电池当中。

我们目前能够做到的最好水平是充电10分钟获得200Wh/kg的能量,然后可以如此快充上千次以上,没有损害。10分钟快充电池的应用和推广将是电动汽车的一个重要里程碑,因为它提供了一种快速便捷的补能方法,一定会引发电动汽车和许多应用场景的革命性变化。比如说原来电动汽车需要80度电来消除里程焦虑,现在可以缩小到40度电的,尽管续航里程只有300公里,但是有了随时随地的快速补能,10分钟以后又可以有三百公里的续航,不再有里程焦虑,而这样做我们降低了车载电池的一半成本和节省原材料消耗50%,也就是说一辆车上的电池可以用在两辆车上,是真正实践“少就是多”的哲理。

快充电池技术也为未来飞行汽车实现商业化的最重要的先决条件。飞行汽车是我个人的梦想,希望能够在退休之前驾驶飞行汽车去上班,这样可以绕开地面的交通拥堵,但是飞行汽车对电池的要求相当高,目前全世界最看好的垂直升降飞行汽车或者空中出租车,必须在每次降落以后马上对电池进行快速的补能,所以我们必须要有快充电池才能让飞行汽车变成现实。

目前我们的实验结果,已经证实了10分钟快充电池用于飞行汽车的可行性和经济性。那我们也肯定会问:是不是可以用调控界面的原理来开发出永不自燃的安全电池,而且不但要高安全还要大比能呢?这就是我们发明的硕安电池。

硕就是指大比能,硕安电池使用简单的电解液添加剂来进一步钝化电池中的电化学界面,这里关键是钝化把电化学界面钝化,我们的实验发现只要加1.5%的磷酸三烯丙酯,就可以让电池的活性降低4倍,想象一下一个反应界面被关闭掉3/4只剩1/4的电池,是不是非常安全呢?

确实我们把这种钝化过的电池进行最严苛的针刺实验,即使是采用最大的能量密度的电芯,290瓦时每公斤而且用最不稳定的三元811材料,针刺的最高温度也不超过55度,这比磷酸铁锂电池针刺温度60度还要低,也就是说我们可以把极高能量密度的三元电池,做的比普通的磷酸铁锂电池还安全。

那么你的问题可能就来了,这样一个钝化掉的电池,也就是只剩1/4反应界面的电池,又怎样让它在工作的时候呈现出高功率呢?

还是一样的热刺激办法,我们可以在工作之前把钝化的电池从常温加热到60度,就可以激发出对比电池1.7倍的功率,这就是“钝化电池,加热使用”的独特设计原则。我们还发现了一种热调控磷酸铁锂电池,它克服了原有的磷酸铁锂电池的三大痛点:一解决了低温性能差的问题,因为有了热刺激的功能,我们不再依赖于磷酸铁锂材料本身的低温性能,比如说在冬天里,我们可以让电池的温度在30秒之内迅速地升温到0度以上,从而输出正常的高功率。

第二我们可以实现10分钟快充,这个意义非常大,因为10分钟快速便捷的补能就能让磷酸铁锂直接避开他能量密度比较低的缺陷,这个时候里程焦虑不再是问题,因为随时随地都可以便捷地补能。

第三它可以让我们使用非燃电解液,这样让磷酸铁锂电池的安全性都更上一层楼,在继续的研究中,我们又研发出第二代热调控磷酸铁锂电池,目前在实验室我们已经做到300瓦时每公斤的能量密度并成本有望降至每瓦时3毛5。新成果再加上第一代的其他优势,例如10分钟快充,不怕冷,还有不含钴,钴是战略性金属,没有热管理系统,这应该是一款几乎接近终极的电池,可满足绝大部分的应用需求。

让我们来总结一下:电池和储能是新能源时代和智能社会最重要的基础技术之一,在未来的十年我相信将迎来巨大的创新机会,因为我们不但会继续材料的创新,而且在科学上已经揭示了可调控反应界面的可能性,这种可调控的工作生态将为材料创新打开新的大门。

我前面讲的全气候电池、10分钟快充电池、硕安电池还有低成本的热调控磷酸铁锂电池,只是我们发明创新的刚刚开始,我们真诚的邀请您的加入,一起探索主动调控、主动激发的新型电池,让电池材料发挥出最大的光彩。

最后我简短分享一下我个人在科研生涯中的三点体会:

第一,作为一个科学工作者,要有勇气和毅力去走没有人走过的路,不要太在乎别人的想法和看法,因为创新总是孤独的。

第二,简单就是美。一般有实用意义的科学发现,一定是精致的简单。

第三,诚实的能源。我们在做科学发现和技术发明之前,甚至在独立思考别人的工作之前,首先要记住能量是守恒的。

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