开启电池快充新纪元，实现“飞行”梦

演讲者：王向阳

出品：腾讯WE大会新浪科技《科学咱们》

王向阳：电池技能科学家，美国国家创造家科学院院士，宾夕法尼亚州立大学讲席教授。

咱们好！我是王向阳，来自美国宾夕法尼亚州立大学，在这儿与咱们共享电池与储能的未来。

电池是以化学能形式贮存的设备，运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年的诺贝尔化学奖便是授予了来自美国与日本的三位科学家，赞誉他们在锂离子电池方面的科学奉献。

咱们都知道，电池与咱们的日子休戚相关，从3C数码到电动轿车再到航空航天等电池无处不在，并且电池技能往往决定新产业的崛起，比方没有锂离子电池就不会有智能手机，更谈不上电子商务5G通讯等，相同也不会有新动力轿车的革新。

当前人类面临着日益严峻的气候改变危机，动力转型势在必行，大力开展可再生动力，完成碳达峰碳中和的方针，是整个人类社会的共同责任。可再生动力比方太阳能风能都属于间歇性动力，只需经过储能才有运用价值，所以储能技能是完成双碳方针和动力革新的要害核心技能，具有重大的战略含义。

电池储能的运用之大影响之深，也决定了它面临多维度的巨大应战，它需求十分丰富很多的本钱低廉的原资料，要有极高的安全性，能够保证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，还有无论酷热地带和寒冷地区，电池必须在全温域都坚持杰出的功能寿命和安全性。

近100年来，电池技能的改进底子上来源于资料的立异，咱们熟悉的主流电池从铅酸电池改进到镍氢电池，然后改变到现在的锂离子电池。铅酸电池最常见的是在咱们的电动自行车上或许燃油车的启动电池，镍氢电池闻名的一个运用例子便是丰田的普瑞斯油电混动轿车，当然锂离子电池现在在咱们社会的每一个角落，但即使是最新的锂离子电池技能也现已有了30年的开展进程，在科技一日千里的今日，咱们经常会感觉到电池技能的力不从心，开展太慢，无法满意咱们高速开展的运用场景，乃至满意不了人们的一些小小愿望，比方说能够有一周只充一次电的手机吗？有永不自燃的电动轿车吗？

为了这些问题，为了加速电池技能的开展，科学家们一直在问：除了资料立异之外，有没有或许颠覆200多年以来原封不动的电池结构呢？有没有更好的作业生态，能够让电池资料发挥出更大的潜能让电池技能突飞猛进呢？

在答复这个底子的科学问题之前，让咱们先来看一下这200多年以来原封不动的电池结构。它有三种资料组成：负极资料正极资料两者之间有电解液隔开，这种结构天然地势成了两种界面。一存在于正极资料和电解液之间；二是在负极资料和电解液之间，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，明显电池内的反响界面是永久存在的并且一直在作业着，无论咱们运用仍是不运用电池，比方说咱们把电动轿车停在车库里关掉轿车，这个时分不用电池，可是咱们依然能够测量到电池的最大电压，这就阐明电池里的反响界面依然存在并且活泼地作业，而这个永久存在的反响界面刚好是电池的安全隐患和变老的最底子原因。

咱们幻想一下，假设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，能够引爆电池。咱们用简略的能量平衡计算就能够发现，假设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，这是十分可怕的结果。

咱们再看一个例子来充沛领会一下这种永久存在的反响界面所带来的弊病。在冬季的时分比方说在负的30度，锂电池是十分怕冷的，它要丢失功率9~10倍，所以咱们经常听到电动轿车在冬季“趴窝”，更糟糕的是在寒冷的天气中电池是没有办法充电的，所以咱们没有办法回收刹车发生的制动能量，这制动能量能够占到20~25%的续航路程，是相当大的能量，这样就发生了一个很尴尬的局面。一方面车企期望驾驭员在冬季开车不要翻开暖气，节约电量穿戴很厚的棉大衣，但一起电池又没有办法把刹车发生的巨大能量回收到电池里头，而是白白浪费在刹车皮上，这是一个十分不完美的产品。

那咱们的电化学家和电池工程师想了十分多的资料处理办法，比方在电解液傍边掺入很多的高挥发性易燃的线性碳酸酯，这样能够大大降低电解液的冻结温度，的确改善了低温功能，但一起也让锂电池的电解液沾上了易燃的恶名，咱们在媒体上经常听到电池的电解液是可燃的，这便是处理低温问题发生的后遗症。

另外能够运用高表面积的电极资料添加活性，或许采用高能量的电极资料，比方说三元资料就比磷酸铁锂在冬季体现的好，这样咱们就用高活性资料来构造了这么一个电池，的确能够处理冬季的问题，可是相同由高活性资料组成的电池，在酷热的夏天它就彻底没有抵抗热失控的才能，由于咱们把电解液变成高挥发性易燃，把电极资料变成了热不安稳，在夏天很容易就发生电池起火乃至爆炸形成巨大的丢失，最近的一起整车召回经济丢失到达18亿美金便是一个很好的警醒。

那么电芯安全有问题咱们的工程师说有办法，能够把这些易燃易爆的电芯封装在铜墙铁壁的容器傍边，加上防火墙处处埋上救活资料，乃至再安装上浇水救活体系这样就能够保证电池体系的安全，这些举措咱们统称办理体系，可是所有的办理办法它是不添加能量而是添加了电池的分量体积和本钱，立刻导致了电池整个体系的能量密度下降和单位本钱的添加。这样咱们处理了一个低温问题，冒出来两个新的问题：能量密度下降和本钱上升。

咱们电化学家和电池工程师每天都是在这样的折中做着苦楚的选择，最底子的原因仍是由于电池内的反响界面是永久存在，而电池资料自身无法一起满意低温高活性和高温安稳性，也便是说要让资料在低温的时分很活泼，在高温的时分很安稳，这个看上去简直是一个无解的难题。那么对这样一个难题一个很有意思的主意就来了，有没有一种电池，咱们在不运用的时分能够把反响界面关掉一些，提高安全性，然后在运用的时分把界面调大、调强，给出作业时所需求的高功率呢？

在过去10多年中，我的团队一直在寻找和探究这种可调控界面的电池，的确咱们找到了一种热调控的办法，运用瞬间热影响，大约需求10~30秒钟耗费1%~3%的电量，咱们就能够把电化学界面调大调强。有了这个快捷低能耗的热影响办法，咱们就能够用最安稳最安全的资料制造电池，在不运用的时分电池内的化学界面当然是坚持最低的水平，保证了电池的绝对安全和最低的老化速率。而作业的时分，用热影响能够把电池里的反响界面瞬间调大调强来提供高功率快充才能，乃至是在任何低温环境中都有十分杰出的功能，等到电池作业完了，天然冷却能够在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情况，是安全的安稳的或许说是低调的。

那么热调控的范围有多少呢？咱们来看一组试验数据，图表的竖坐标是用能够测量的电池内阻来不和地表征电池的活性，内阻和活性是成反比联系的。咱们看到热调控能够把电池的内阻从1000降到15欧姆平方厘米，也便是说把电池的活性添加60倍，阐明热调控的范围能够在60倍之间操作。更惊喜的是，咱们能够从图上看到试验证明了咱们热调控机理适用于所有的化学和资料体系，无论是锂离子电池锂、金属电池或许全固态电池，咱们都能够做到60倍的调控范围，所以现在咱们有了一个快速的低能耗的调控范围大的调节界面的办法，咱们就能够创造和创造新式的电池。

针对前面讲到的低温痛点，咱们创造了全气候电池，这是在不改变电池资料危险性的根底下，也便是说不添加电解液的可燃性，也不改变电极资料的热安稳性，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，这个厚度只需人的头发丝的1/10，所以简直不添加电池的体积和分量。

有了发热体然后运用电池自带的能量，再加上一个开关咱们就能够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，咱们也只需求30秒时刻，就能够让电池自加热到零度以上正常作业，所以这种全气候电池的长处是：

一、30秒之内快速地给出高功率

二、能够自加热不需求附带其他的能量源

三、也是最重要的一点是它不损害电池的安全作为代价，没有改变资料的活性，或许说安全性，到达了电池在极低温度下照旧作业的意图

从试验室的科学发现到产品化商业化又是一个困难的进程，我要感谢咱们的合作者和参加企业，他们花了三年时刻从18年到20年接连三年，在东北海拉尔进行实地车队的试验，充沛验证全气候电池的功能功能和寿命，为全气候电池投放明年冬奥会作出有力的保证。

热调控原理让咱们也创造了10分钟快充电池，由于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，而咱们热调控机理能够让电池做到这些，所以未来当电动轿车来到快充桩之前，咱们能够给电池来一个30秒的热影响，然后再在10分钟之内把大电流充到电池傍边。

咱们现在能够做到的最好水平是充电10分钟获得200Wh/kg的能量，然后能够如此快充上千次以上，没有损害。10分钟快充电池的运用和推广将是电动轿车的一个重要路程碑，由于它提供了一种快速快捷的补能办法，一定会引发电动轿车和许多运用场景的革新性改变。比方说本来电动轿车需求80度电来消除路程焦虑，现在能够缩小到40度电的，尽管续航路程只需300公里，可是有了随时随地的快速补能，10分钟今后又能够有三百公里的续航，不再有路程焦虑，而这样做咱们降低了车载电池的一半本钱和节约原资料耗费50%，也便是说一辆车上的电池能够用在两辆车上，是真实实践“少便是多”的哲理。

快充电池技能也为未来飞翔轿车完成商业化的最重要的先决条件。飞翔轿车是我个人的梦想，期望能够在退休之前驾驭飞翔轿车去上班，这样能够绕开地面的交通拥堵，可是飞翔轿车对电池的要求相当高，现在全世界最看好的垂直升降飞翔轿车或许空中出租车，必须在每次下降今后立刻对电池进行快速的补能，所以咱们必须要有快充电池才能让飞翔轿车变成实际。

现在咱们的试验结果，现已证实了10分钟快充电池用于飞翔轿车的可行性和经济性。那咱们也肯定会问：是不是能够用调控界面的原理来开宣布永不自燃的安全电池，并且不但要高安全还要大比能呢？这便是咱们创造的硕安电池。

硕便是指大比能，硕安电池运用简略的电解液添加剂来进一步钝化电池中的电化学界面，这儿要害是钝化把电化学界面钝化，咱们的试验发现只需加1.5%的磷酸三烯丙酯，就能够让电池的活性降低4倍，幻想一下一个反响界面被关闭掉3/4只剩1/4的电池，是不是十分安全呢？

的确咱们把这种钝化过的电池进行最苛刻的针刺试验，即使是采用最大的能量密度的电芯，290瓦时每公斤并且用最不安稳的三元811资料，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，也便是说咱们能够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。

那么你的问题或许就来了，这样一个钝化掉的电池，也便是只剩1/4反响界面的电池，又怎样让它在作业的时分呈现出高功率呢？

仍是相同的热影响办法，咱们能够在作业之前把钝化的电池从常温加热到60度，就能够激宣布比照电池1.7倍的功率，这便是“钝化电池，加热运用”的共同规划准则。咱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：一处理了低温功能差的问题，由于有了热影响的功能，咱们不再依赖于磷酸铁锂资料本身的低温功能，比方说在冬季里，咱们能够让电池的温度在30秒之内迅速地升温到0度以上，从而输出正常的高功率。

第二咱们能够完成10分钟快充，这个含义十分大，由于10分钟快速快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点，这个时分路程焦虑不再是问题，由于随时随地都能够快捷地补能。

第三它能够让咱们运用非燃电解液，这样让磷酸铁锂电池的安全性都更上一层楼，在持续的研讨中，咱们又研宣布第二代热调控磷酸铁锂电池，现在在试验室咱们现已做到300瓦时每公斤的能量密度并本钱有望降至每瓦时3毛5。新效果再加上榜首代的其他优势，例如10分钟快充，不怕冷，还有不含钴，钴是战略性金属，没有热办理体系，这应该是一款简直挨近终极的电池，可满意绝大部分的运用需求。

让咱们来总结一下：电池和储能是新动力时代和智能社会最重要的根底技能之一，在未来的十年我信任将迎来巨大的立异时机，由于咱们不但会持续资料的立异，并且在科学上现已揭示了可调控反响界面的或许性，这种可调控的作业生态将为资料立异翻开新的大门。

我前面讲的全气候电池、10分钟快充电池、硕安电池还有低本钱的热调控磷酸铁锂电池，只是咱们创造立异的刚刚开始，咱们真诚的邀请您的参加，一起探究自动调控、自动激起的新式电池，让电池资料发挥出最大的光彩。

最终我简略共享一下我个人在科研生涯中的三点领会：

榜首，作为一个科学作业者，要有勇气和毅力去走没有人走过的路，不要太在乎别人的主意和看法，由于立异总是孤单的。

第二，简略便是美。一般有实用含义的科学发现，一定是精致的简略。

第三，诚实的动力。咱们在做科学发现和技能创造之前，乃至在独立思考别人的作业之前，首先要记住能量是守恒的。