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這幾天，全國氣溫驟降，這對新能源車的車主們不算什么好事，尤其在寒冷的北方地區(qū)，電動車會因為低溫變成“電動爹”：寒風中，電池續(xù)航能力驟降，還無法充電。
這背后的罪魁禍首在于，新能源車的動力電池還沒有完美解決方案。
目前，新能源汽車的動力電池大都采用鋰電池，它的工作原理是正極、負極、電解液，鋰離子在期間的活動，帶著電子從正極轉移到負極，這個過程為放電，反之，則是充電。
但在氣溫極低的情形下，鋰離子的活躍度大幅降低，原因在于，低溫下，電池電解液濃度變大，導致鋰離子的活動阻力過大。
電池材料科學家們?yōu)榱私鉀Q這個問題，在電解液當中摻入大量的高揮發(fā)性易燃的“線性碳酸酯”，但這帶來一個嚴重的后果：鋰電池易燃。
即使是“高活性材料”能夠暫時解決電車鋰電池冬天的惰性，到了夏天，易燃性更是難以控制，而業(yè)界又出現(xiàn)一個解決問題的方式：將電極和電解液進行封裝，電解液繼續(xù)活躍，也相對安全，然而又產生兩個后果：降低了電池的能量密度，和增加電池的重量和體積。
這種兩難境地，一直困擾著我們的電池科學家們，但是他們從沒有放棄過探索。
在2021年騰訊科學的WE大會上，美國國家發(fā)明家科學院院士，動力電池、儲能與燃料電池技術科學家王朝陽帶來了《電池和儲能的未來》的主題分享，他和他的團隊解決了電池界長久以來的兩難：電池材料自身無法同時滿足低溫高活性和高溫穩(wěn)定性。
據了解，在王朝陽團隊的方案之上發(fā)明的“全氣候電池”即將被用在2022年北京冬奧會上，以保障電動車在低溫下的長續(xù)航工作。
那么，這項發(fā)明的突破點是什么？原理如何，價值何在，對于各個產業(yè)的意義何在？
以下內容經新經濟沸點精編整理，以饗讀者。
大家好! 我是王朝陽，來自美國賓夕法尼亞州立大學，特別感謝騰訊公司的邀請，讓我有機會在這里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，使用時直接轉換為電能輸出，用完充電又把電能直接轉換為化學能存儲起來，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，電池無處不在，而且電池技術往往決定新產業(yè)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。
當前人類面臨著日益嚴峻的氣候變化危機，能源轉型勢在必行，大力發(fā)展可再生能源，實現(xiàn)碳達峰碳中和的目標，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于間歇性能源，只有通過儲能才有使用價值，所以儲能技術是實現(xiàn)雙碳目標和能源革命的關鍵核心技術，具有重大的戰(zhàn)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(zhàn)。它需要非常豐富大量的成本低廉的原材，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(qū)，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于材料的創(chuàng)新，我們熟悉的主流電池從鉛酸電池改進到鎳氫電池，然后轉變到現(xiàn)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啟動電池。
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(xiàn)在在我們社會的每一個角落，即使是最新的鋰離子電池技術也已經有了30年的發(fā)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(fā)展太慢，無法滿足我們高速發(fā)展的應用場景，甚至滿足不了人們的一些小小愿望。比如說可以有一周只充一次電的手機嗎？有永不自燃的電動汽車嗎？
為了這些問題，為了加快電池技術的發(fā)展，科學家們一直在問，除了材料創(chuàng)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(tài)可以讓電池材料發(fā)揮出更大的潛能，讓電池技術突飛猛進呢？
“材料解決辦法”的探索
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、兩極材料之間有電解液隔開。
這種結構自然地形成了兩種界面：一是存在于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著電勢差，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、而且一直工作著，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里關掉汽車，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，這就說明電池里的反應界面仍然存在而且活躍地工作著。
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，那么在電壓下面，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(fā)現(xiàn)，假如說內短路讓電池的電量100%地釋放出來，那么電池的溫度會升到1500度，這是非?？膳碌暮蠊?。
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，鋰電池非常怕冷，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，這制動能量可以占到20~25%的續(xù)航里程，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(jié)省電量穿著很厚的棉大衣，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里頭，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：
1.比如在電解液當中摻入大量的高揮發(fā)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后遺癥。
2.另外可以使用高表面積的電極材料增加活性，或者采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(xiàn)的好，這樣我們就用高活性材料來構造了這么一個電池，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，因為我們把電解液變成高揮發(fā)性易燃，把電極材料變成了熱不穩(wěn)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，那么電芯安全有問題，我們的工程師說有辦法！
3.可以把這些易燃易爆的電芯封裝在銅墻鐵壁的容器當中，加上防火墻到處埋上滅火材料，甚至再安裝上澆水滅火系統(tǒng)這樣就可以保障電池系統(tǒng)的安全，這些舉措我們統(tǒng)稱管理系統(tǒng)。
但是所有的管理措施它是不增加能量，而增加了電池的重量體積和成本，馬上導致了電池整個系統(tǒng)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著痛苦的選擇。
最根本的原因還是因為電池內的反應界面永遠存在，而電池材料自身無法同時滿足低溫高活性和高溫穩(wěn)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(wěn)定。
這個看上去幾乎是一個無解的難題，那么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，然后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？
突破點："熱調控"
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(wěn)定最安全的材料制作電池：
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里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(huán)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，安全的穩(wěn)定的或者說低調的。
那么熱調控的范圍有多少呢？
我們來看一組實驗數據，圖表的豎坐標是用可以測量的電池內阻來反面地表征電池的活性，內阻和活性是成反比關系的，我們看到熱調控可以把電池的內阻，從1000降到15歐姆平方厘米，也就是說把電池的活性增加60倍，說明熱調控的范圍可以在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，適用于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(tài)電池，我們都可以做到60倍的調控范圍。
所以現(xiàn)在我們有了一個快速的低能耗的調控范圍大的調節(jié)界面的方法，我們就可以發(fā)明和創(chuàng)造新型的電池。
1.針對前面講到的低溫痛點，我們發(fā)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(wěn)定性，而是在電池的內部植入一片10微米厚度的鎳箔作為發(fā)熱體，這個厚度只有人的頭發(fā)絲的1/10，所以幾乎不增加電池的體積和重量。
有了發(fā)熱體然后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，那么哪怕在負30度的環(huán)境里凍透的電池，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(yōu)點是：
一是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；
最重要的一點是它不損害電池的安全作為代價，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(fā)現(xiàn)到產品化商業(yè)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(yè)，他們從2018年到2020年，花了三年的時間，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，為全氣候電池投放明年冬奧會作出有力的保障。
2.熱調控原理，讓我們也發(fā)明了10分鐘快充電池。
因為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，然后再在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，然后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。因為它提供了一種快速便捷的補能方法，一定會引發(fā)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(xiàn)在可以縮小到40度電的，盡管續(xù)航里程只有300公里，但是有了隨時隨地的快速補能，10分鐘以后又可以有三百公里的續(xù)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(jié)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，真正實踐“少就是多”的哲理。
快充電池技術，也為未來飛行汽車實現(xiàn)商業(yè)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，必須在每次降落以后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(xiàn)實。
目前我們的實驗結果，已經證實了10分鐘快充電池用于飛行汽車的可行性和經濟性。
3.那我們也肯定會問，是不是可以用調控界面的原理來開發(fā)出永不自燃的安全電池呢？而且不但要高安全還要大比能？
這就是我們發(fā)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，這里關鍵是把電化學界面鈍化，我們的實驗發(fā)現(xiàn)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，即使是采用最大的能量密度的電芯，290瓦時每公斤，而且用最不穩(wěn)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，做得比普通的磷酸鐵鋰電池還安全。
那么你的問題可能就來了，這樣一個鈍化掉的電池，也就是只剩1/4反應界面的電池，又怎樣讓它在工作的時候呈現(xiàn)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(fā)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。
4.我們還發(fā)現(xiàn)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，因為有了熱刺激的功能，我們不再依賴于磷酸鐵鋰材料本身的低溫性能，比如說在冬天里，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(xiàn)10分鐘快充，這個意義非常大，因為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，因為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(xù)的研究中，我們又研發(fā)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，并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(yōu)勢，如10分鐘快充，不怕冷，還有不含鈷（鈷是戰(zhàn)略性金屬），沒有熱管理系統(tǒng)，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。
總結
讓我們來總結一下，電池和儲能是新能源時代和智能社會最重要的基礎技術之一，在未來的十年，我相信將迎來巨大的創(chuàng)新機會，因為我們不但會繼續(xù)材料的創(chuàng)新，而且在科學上已經揭示了可調控反應界面的可能性，這種可調控的工作生態(tài)將為材料創(chuàng)新打開新的大門。
我前面講的全氣候電池（All-climate batteries）、10分鐘快充電池（ten-minute fast charging batteries）、碩安電池SEB、還有低成本的熱調控磷酸鐵鋰電池（and the low-cost thermally modulated lithium iron phosphate batteries）。
只是我們發(fā)明創(chuàng)新的剛剛開始，我們真誠的邀請您的加入，一起探索主動調控主動激發(fā)的新型電池，讓電池材料發(fā)揮出最大的光彩。
最后我簡短分享一下我個人在科研生涯中的三點體會：
第一作為一個科學工作者，要有勇氣和毅力去走沒有人走過的路，不要太在乎別人的想法和看法，因為創(chuàng)新總是孤獨的。
第二簡單就是美，一般有實用意義的科學發(fā)現(xiàn)，一定是精致的簡單。
第三誠實的能源，我們在做科學發(fā)現(xiàn)和技術發(fā)明之前，甚至在獨立思考別人的工作之前，首先要記住能量是守恒的。
*本文內容來自騰訊科學2021年WE大會，經新經濟沸點精編整理。
