鉅大LARGE | 點擊量：411次 | 2023年06月01日
充電8分鐘、續航1000公里電動汽車可信嗎？
新能源汽車注定是2021年的民眾關注焦點。
新年初始，國內多家公司宣稱將推出續航超過1000公里的純電動汽車，而中國科學院院士歐陽明高在1月16日對此表達了不認可：如果有人說，他的電動車既能跑1000公里，又能幾分鐘充完電，而且還特別的安全、成本還非常低，大家不用相信，因為這在目前是不可能同時達到的。
這碗冷水潑得正是時候。超長續航到底是否實用？超大容量電池+超快充能否滿足安全性要求？這些關系消費者痛點的問題需要業內沉著的剖析。
我們連線了美國國家發明家科學院院士，賓夕法尼亞州立大學機械工程、化學工程和材料科學與工程系講席教授王朝陽，請他來談談電動車電池的發展。
王朝陽研究工作集中于電池和燃料電池中的運輸、材料制造和建模等方面，他擁有90多項專利（美國、中國、歐盟和日本）。他關于全氣候電池（ACB）技術的研究發表在《自然》雜志上，后來被2022年冬季奧運會選中，為奧運會的電動汽車提供動力。他還在2019年發布了一項快充技術稱，10分鐘充電可讓電動汽車充滿80%，續航300公里到400公里，并且經過2500次充放電后，電池容量只有8.3%的損耗。就在最近，王朝陽團隊開發了一種熱調控磷酸鐵鋰電池（TMB），可以滿足低成本、超安全、長壽命、全氣候等多方面需求，這項成果于2021年1月18日發表在能源領域世界期刊《自然能源》雜志。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
談到電池的熱點新聞，他一再強調能量守恒定律。他說，所有的新聞、所有的發布或者我們在聽到的一些故事，用簡單的能量守恒定律去分析它，就可以知道它的真實性，以及它的靠譜程度。
王朝陽教授。圖片：賓夕法尼亞州立大學
王朝陽教授。圖片：賓夕法尼亞州立大學
為何鴨：最近歐陽明高院士批評了超長續航和超級快充，這是工業界跟實驗室研究的錯位嗎？還是說企業有一些夸大的成分？
王朝陽：這在科學跟商業兩方面都有問題。
商業問題很簡單，假如說1000公里續航的話，大概需要150度電，所以就算10分鐘充好150度電的話，大概需要900千瓦充電功率的充電樁，而900千瓦充電樁目前是沒有的，最大功率的特斯拉第三代充電樁是250千瓦，所以從商業角度肯定是沒有可行性的。
從科學角度也有很大的問題，續航里程這么長，電池肯定是高能量密度的，比如說6個倍率的充電，在科學上目前還不成立，至少沒有這樣的報道，沒有經過同行科學家評審過的報道。
實際上快充有一個非常簡單的科學判決，就是3個數據要并存，缺一不可。第一是充電時間；第二是充電后得到了多少能量或續航里程；第三個數據就是電池能夠循環多少次，這個也很重要。假如充電很快，得到的能量也很多，但是只充一兩次就把電池廢了，這也不算是新技術，我們大學一年級的同學都會做。
這三個數據缺一不可，有了這個法則，基本上媒體或者企業發布的任何快充的消息都可以自行判斷。
能源這個行業一定要遵守能量守恒定律，就是說充電功率乘上充電時間等于多少能量，用簡單的能量守恒定律，馬上就可以推算出他們在講什么。
為何鴨：公眾對一些黑科技的期待值比較高，希望有一個突破性的技術出來。
王朝陽：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。這個是基本的規則。假如發現黑科技是永動機，他不符合能量守恒，這個技術問題就很大了。
為何鴨：我們來看你們剛剛發表的研究，這個低成本的電池跟2019年10月份發布的快充技術相比，根本的區別在哪？
王朝陽：最根本的區別是，我們這項研究聚焦于一個主題，降低電池成本。
我們就是希望能夠把電池的成本降到跟燃油發動機差不多的水平，這樣就可以普及大眾市場的電動汽車。它的意義對減少碳排放非常大，光是賣幾千輛高端電動車，碳中和是無法實現的。
更形象、更簡單的表述就是我們把電池包小型化，然后讓單位成本保持比較低的水平，就能達到電池整個成本的降低。
這個方向跟國內很多車企的方向正好相反，國內都是長續航，要開發1000公里續航的電池，150度的電池是什么概念？按照現在三元鋰電池，比如說一瓦是一塊錢，這150度電池就是15萬人民幣。這個車子不是大眾市場的電動汽車，電池成本太高了。
再加上你拖著這么大的一個電池到處跑，這個很危險對吧？那是一個大的能量包。
所以我們把以前的一些技術都應用到新電池上面，包括傳統的磷酸鐵鋰在冬天性能非常差，我們的電池就不受環境溫度的影響，因為我們的一定要事先預熱到60度才工作，它永遠可以給你好的性能。
這個全天候電池測試過。2022年的冬奧會就采用了這款電池，有大量整車的試驗結果，包括這些車隊在東北黑河的實驗結果。
高溫下充電會加快，金色小球代表鋰離子。圖片：賓夕法尼亞州立大學
高溫下充電會加快，金色小球代表鋰離子。圖片：賓夕法尼亞州立大學
為何鴨：請你科普一下全天候電池（自加熱電池）。
王朝陽：傳統的鋰離子電池特別怕冷，溫度低的話，鋰離子在正極負極之間的傳輸受到很大的障礙，所以它的性能要降低很多，降低9倍到10倍的樣子。
傳統的辦法是利用外部加熱，但耗能比較大，并且不是很直接，需要的時間很長，需要一小時以上，所以不能滿足消費者馬上就能用的需求，并且在冬天快速充電更不可能。
我們的全天候電池就是在電芯當中給它增加一個鎳片，只有10個微米的鎳箔，鎳箔可以產生自加熱，讓電池的溫度迅速上來。盡管環境的溫度是零下，我們做到了溫升在60~200度每分鐘，而傳統的外部加熱一般是溫升在0.5~1度每分鐘，我們這個速度提高了兩個量級。一般只要用幾十秒時間就可以讓電池熱起來，然后正常工作。
另外，我們經過大量的實驗研究發現，這種自加熱方法消耗的能量非常小。
為何鴨：這個辦法本質上是主動控制，不改變材料本身，安全性也沒有變化，能夠迅速讓電池達到一個適當的充電的溫度，對吧？
王朝陽：對。我們最早提出結構創新，傳統電池的結構就是正極、負極與隔膜，叫三部件結構。我們增加了第4個部件鎳箔，放進去以后，它可以自己儲能，自己調節溫度。
為何鴨：提到固態電池這個概念，我看有公司已經在推這個產品了，但是有的人說他這個是半固態的電池。請你科普一下固態電池跟三元電池、磷酸鐵鋰電池本質的區別在哪？是液態跟固態的差別嗎？
王朝陽：固態電池的真正意義，是把原來我們常規的磷酸鐵鋰、三元電池當中的電解液，用固體的電解質來取代。但固態電池的研發，離真正商業化應該還有很遠的距離。
你可以從媒體報道或者從公司發布的消息當中看到，我們的研發人員和企業，基本上都還沒有想清楚到底要做什么樣的固態電池產品。
為什么這么說？我可以舉幾個例子。第一個例子，你在媒體當中可能會經常聽說，固態電池的離子導電率太低了，固-固界面電阻太大了；同時你又看到說固態電池可以快充。這是互相矛盾的，一個大內阻的電池怎么可以快充？那是不可能的。
有的人講半固態電池，意思就是說正極里頭還有電解液，有一半以上的危險的電解液還留在電池里面，這能安全嗎？
為何鴨：包括豐田在內，一些大公司說將來要做固態電池，是因為固態電池的安全性更好？
王朝陽：固態電池大家都要去做，認為是下一個發展的方向。每個企業有自己的考慮，不但是科學技術發展的原因，還有企業的定位、投資的方向。但是固態電池一定安全嗎？我們有時候想當然認為是安全的，但是你真正好好去想的話，會發現它有很多不安全因素。
第一，假如某公司固態電池做成150度電，這個是很大的一個能量包，即使是固態，扛著這么大能量包到處跑，也是不安全的。一旦放電、也就是全部電能放出來的話，電池的溫升應該在1500度以上。
也就是，如果某個部位短路，電能一瞬間就釋放出來的話，電池材料要達到的溫度是1500度以上，沒有任何材料是安全的。即使10%的電量被瞬間放出來，固態電池的溫度就達到了180度，鋰金屬也熔化了。
為何鴨：回到40千瓦時的電池，是小容量的話更容易控制安全性嗎？
王朝陽：我們發明的40千瓦時電池是目前所有的市場上最安全的電池。第一，畢竟只有40千瓦時。第二，它的正極是用了磷酸鐵鋰，這是非常安全、熱穩定相當好的一個材料。第三，我們盡管也是石墨負極，但因為在60度工作，我們可以把石墨顆粒做大，比表面積可以小，這也提高了安全跟熱穩定性。第四，我們用的低電壓的電解液，因為磷酸鐵鋰它的電壓只有3.6/3.7伏，而三元是4.2/4.3伏，所以電解液更安全。
為何鴨：還有個概念需要解釋一下，現在講石墨烯跟石墨負極是什么關系？石墨烯為什么是熱點？
王朝陽：大部分的使用場合中，石墨烯只是一個導電劑，增加電子導電率，所以它的用量很少，比如說1%、2%、3%，而石墨是一個儲能材料。打個比方，這個石墨是讓你吃飽的東西，而石墨烯只是味精，調料。
為何鴨：對于三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的二選一爭論，你覺得未來應該如何選？
王朝陽：三元電池能量密度要高一些，但是缺點是它的安全性要差一點，成本也高，還需要用到鈷，鈷是一個戰略性的金屬，所以有明顯的缺點。
電芯材料的能量密度高了以后，安全性就差了，就要在電池包上做更多的安全裝置，來防止三元電池產生不安全。而在電池上加裝另外的裝置以后，它會降低整個系統的能量密度，所以150千瓦時的電池肯定不會去選擇比較重的磷酸鐵鋰，那樣這個車子大概就沒有乘客了。而把電池做小了以后，磷酸鐵鋰就是非常好的一個選擇，因為它有不可超越的優點，就是安全性特別好，成本特別低。
所以在不同的場合，這兩種電池都會有用處。最近我們在做飛行汽車的電池，就是電動飛機的電池，以后咱們都可以坐著飛行汽車去上班了。飛行汽車它可以利用三維的交通網絡，能夠沒有堵車情況下到達目的地。對飛行汽車，三元電池會是一個首選，因為畢竟飛機是要飛上去的，對重量特別敏感。
我也不能用小型化技術來做飛行汽車的電池，你總不能飛5分鐘就需要補能，在空中也沒辦法實現10分鐘補能，所以我覺得這兩個技術在不同的場合都有自己的用途。
日本SkyDrive飛行汽車公司的首席工程師兼測試飛行員ToshiroAndo走下SD-03飛行汽車。圖片：CFP
當地時間2020年8月25日，日本愛知縣豐田市，在豐田試驗場，日本SkyDrive飛行汽車公司的首席工程師兼測試飛行員ToshiroAndo走下SD-03飛行汽車。圖片：CFP
為何鴨：提到飛行汽車我也很好奇，包括國內也有公司在做這方面項目，如果用燃油發動機做動力，不是一樣嗎？
王朝陽：我們現在的飛行汽車垂直升降，它是大都市使用的交通工具，對污染、噪聲都是非常敏感的，所以用燃油現在不是一個發展方向。
未來飛行器會做成無人駕駛的智能型，沒有駕駛員就可以省一個座位的空間和一個人的重量，這樣它必須要配備比較大的電腦，然后有很多數據處理的功能，這時候需要大電池，所以即使用汽油機的話，還得配一個大電池，這樣的話整個重量會超出純電動的做法。
燃油車轉變成智能汽車有一個巨大的障礙，因為用到的一些傳感器，都是需要電力控制的。包括剎車，用電控制都會更快、更精確。
為何鴨：談到未來的趨勢，豐田也在推氫能電池的電動車。在中國，北京也有氫能電池試點，在你看來，氫能電池的趨勢是什么？
王朝陽：氫能燃料電池，我本人也研究了十幾年。它的最大毛病，一是成本太高，另外一個問題就是壽命還不夠。它需要科學上的突破，讓成本降一個量級，然后才能談商業化，目前離普通消費者還有一些距離。
過去的20年，至少國際上有20個公司，每個公司在氫能燃料電池上面投入差不多20億美元。我的實驗室在這方面已經投入大約3億人民幣做研發，寫了一些論文，但是我還不敢有商業化的想法。
