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美国国家发明家科学院院士王朝阳:动力电池的多元时代

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以色列公司推出“可折叠”电动汽车 4辆占1辆普通汽车位置

10月18日—19日,2021第九届汽车与环境论坛&第13届全球汽车产业峰会隆重召开。本次论坛主要围绕中国汽车产业发展、动力总成、ADAS与自动驾驶、芯片与汽车基础软件、智能座舱等行业热点话题展开,旨在共同探讨新形势下中国汽车产业有序发展的新思路。下面是美国国家发明家科学院院士、美国宾夕法尼亚州立大学讲席教授王朝阳在此次论坛上就《动力电池的多元时代:2021-2030 》为题的演讲实录。

大家上午好,首先感谢论坛的邀请,让我有机会在这里跟大家分享动力电池在当前的十年如何进入多元化的时代。

大家都知道电池存在于我们生活的每个角落,从3C数码到电动汽车再到航空航天,电池是所不在,而且电池技术往往决定新产业的崛起。比如说如果没有锂离子电池就不会有今天的智能手机,更谈不上5G通讯等,也不会有当前的革命,所以电池目前需要的量非常地大,像电动汽车从现在渗透率大概全球平均5%要增加到50%(在十年当中)。

另外,我们都知道面临气候变化危机,需要大力发展可再生能源,实现碳达峰、碳中和的目标,像太阳能,风能都是属于间歇性能源,只有通过储能才有使用价值,所以电池的储能技术也是实现双碳目标和能源革命的关键核心技术。

动力电池和储能电池的应用之大,对于我们生活的影响之深,也决定了它面临多维度的重大挑战,它需要丰富大量、成本低廉的原材料,而且还要具有极高的安全性,实现高能量密度,高功率,可快充,长寿命,无论是炎热地带、寒冷地区,电池都必须在全温域保持良好的性能和寿命,所以一句话“电池太难了”。

那么这个巨大的使用量和原材料的供应量就决定了我们这个年代必须要进入多元化时代,其中包括我们熟悉的三元电池、磷酸铁锂电池、纳离子电池,我们来看看这些主流电池在当前十年当中会有什么样的发展?

三元电池最大优点是能量密度高、续航里程长,但是也有非常致命的缺陷:第一,三元电池含有钴跟镍的战略性金属,不可持续第二,安全性差。最近通用和LG整车召回经济损失就是18亿美金,这对行业来讲是相当大的警醒,特别对于国内要出海的企业,对电池安全性要有200%的把握,否则的话经济损失就可能让一个企业倒下去。第三,充电速率不够高,最好水平大概是1小时,实际上比这个还要长一点,我听说在刚刚过去的国庆期间有这么一个说法,8小时车程,用了16个小时,所以这个充电速度是需要大幅度完善的。第四,成本居高不下

为克服这些缺点,目前我们主要是在开发一些新的技术,首当其冲的第一个技术就是解决安全问题,中文叫做硕安电池,就是既大比能又高安全,它的设计原理是非常独特,跟常规的想法是完全相反的,它是以钝化电池来提高安全性,所以使用硕安电池,把车停在车库里,那个电池是相当的安全,因为就是让它处于“冬眠”的状态,使用的时候利用迅速自加热把高功率输出来。这种新型电池已在无数化学体系和电池形状(无论软包、硬壳)试用过,效果非常好。

我这里举一个比较极端的例子,我拿290瓦时每公斤的能量电池使用最不稳定的三元811材料,经过钝化之后,我去做针刺实验会发现最高温度也不会超过55度,从左图可以看到,红线最高温度不超过50度,还不足够煎熟鸡蛋。假如不是钝化的,同样的电池针刺就会升高到1000度左右,起火爆炸那是必然的结果。

硕安电池通过钝化可以把极高密度的三元电池做的比磷酸铁锂电池还安全。那硕安电池原理是怎么样的?我用内燃机同行的语言来稍微解释一下,假如说把常规的电池拿来测量它的化学活性,把它无量纲化变成1,也就是说常规的反应活性。假如用示意图来画,把这个电池打开会发现有负极和正极,当中有电解液隔开,电解液跟负极,还有电解液跟正极之间形成了反应界面,活性是1就相当于是100%的反应界面是打开的或者我们可以把它说成是内燃机油门嘴,它是正常打开的范围。那电池有一个最大的弊病,就是说无论在高速公路上开还是把车停在自己家车库里,它的油门嘴永远是开着的,这个反应界面永远是存在的,永远在活跃地工作,即使把车停在车库里,所以我们经常看到车停在那里会自燃,就是这个道理,相对可怕的事情。

现在钝化电池只要添加很少量的磷酸三烯丙酯可以降低反应活性4倍,就是说钝化掉的电池反应界面被关掉3/4,只剩1/4,这样的电池停在车库里是永远不会自燃,开车之前这么小的油门嘴当然不行的,因为没有大功率,所以我们会进行迅速的自加热。加热从常温加热到40度,等于把这个油门嘴从1/4的开路变成正常的油门嘴,就可以正常开车。假如说还想要更大功率的话,还可以把自加热到60度,这个时候油门嘴变成3倍那么大,自然功率是非常非常地大,这就是用热调控的方法控制油门嘴的大小,从而在不用电池的时候让它很安全,用它的时候让它输出高功率。而且自加热非常快,从常温到40度大概只要10-15秒时间,而加热到60度大约只用30秒的时间,这样就解决了安全和高功率需要兼顾的问题。

第二个技术是快充(10分钟快充),这个非常有必要,全世界车企都在追求这方面的技术。10分钟快充同样也可以用热调控的原理来达到。我可以使用正常油门嘴开车,一旦电池来到大功率快充桩之前,无论是250千瓦,还是260千瓦,我们来个30秒热刺激,就可以把油门嘴提高3倍以上,这个时候我让大电流进来的时候就不会产生锂离子溢出的现象,大电流进来实际上就是大流量的锂离子要进来,那我的瓶颈假如放的很大就不会有锂离子溢出的现象,在电化学上面讲锂离子溢出就是指在石墨表面上析理,这个是不可逆的,会减少寿命和降低容量。假如说把油门嘴打开,在快充10分钟把它暂时打开,让大电流进来不会产生析理,充完之后电池温度自然在5分钟之内回到常温状况或者40度以下正常工作,用这个方法就可以达到10分钟快充的结果,目前我们最好的水平是10分钟充电之后可以获得200瓦时/公斤能量或者480公里,这样的充电循环可以达到2500次以上,对寿命是没有影响的,所以这个快充技术对电动汽车将是有巨大的意义。

第三个技术是让电池包小型化,这跟把发动机小型化是一样的道理。也就是说,一旦有10分钟快速便捷的补能方法,我们就可以把车载电池从现在的80度电减少到40度电,即使充完电每车续航里程只有250-300公里,但是300公里用完之后,10分钟充好电,非常方便,所以就不存在里程焦虑了,最终的结果就是让我们的消费者享受到了40度电的电池包,也就是说它的成本降低了一半,对社会来讲原材料消耗减少了一半,所以电池包的小型化就跟发动机小型化一样,是有巨大的未来发展的趋势。

总结一下三元电池未来的趋势:第一,巨大的电池包,特别是长续航的电动汽车会让位给安全的考量,目前安全是第一位的。第二,对高能量密度的追求也会变成对高安全性的追求第三,目前最关键的,最需要的是不起火,安全的电池。我们以前认为安全是必须的,但是安全没有办法用成本来衡量,但是现在安全是完全可以用效益来衡量,所以这个变成非常非常重要的方向。

磷酸铁锂电池也是主流,今年已经有很大的恢复,估计下面十年会有相当强劲的恢复,主要是它的原材料大量丰富,公园里都可以随便捡捡磷酸铁锂,安全性非常非常好,成本是非常低,但它的缺点是能量密度稍微低了一点,低温性能相当差,像冬天电动汽车趴窝多数是磷酸铁锂电池,又不能10分钟快充。解决这些痛点,我们也有一些新的技术,比如说热调控磷酸铁锂技术TM-LFP,这就解决了磷酸铁锂三大问题:

首先是低温问题,因为有热刺激功能,所以就不再依赖于磷酸铁锂材料本身的低温特性了,在冬天可以让电池在30秒之内升温到零度以上,所以这对材料就没有要求。

其次,可以实现10分钟快充,这个意义也是相当巨大。因为你有了10分钟快速便捷的补能就可以让磷酸铁锂完全避开了能量密度比较低的缺陷,里程焦虑不再是问题了,你开了250-300公里以后去充电10分钟就完了。

第三,我们取代磷酸铁锂电池当中现有易燃的电解液,可以用非燃的电解液。

在最新的研究当中,我们又研发出第二代热调控磷酸铁锂电池叫TM-LFP 2.0,在实验时室可以做到能量密度达到300瓦时/公斤和成本3毛5每瓦时,再加上第一代其他优势,比如说10分钟快充,不怕冷,不含钴金属,而且不需要液冷,没有泄露的问题,2.0几乎接近于终极电池,可以满足绝大部分的应用需求。

未来磷酸铁锂会变成越来越强劲,是非常重要的主流电池,TM-LFP第一代已完全可用于大众市场的电动汽车和大规模的储能。第二代可以更延伸到其他应用,包括飞行汽车。我们现在把第二代使用到空中去,你可以想象它的能量密度已经相当可以了。

再简单讲一下钠离子电池,它的所有属性跟磷酸铁锂电池非常相象,都是差不多的层次,比较难区别。唯一可以区别的优点,可以讲纳的储存量要比锂多,是锂离子电池的代用品。目前最大的劣势还是在研发当中,没有生产规模,缺乏供应链。我个人认为,未来的趋势钠离子电池会是磷酸铁锂的一个备胎,它会是动力电池多元化比较重要的元素,为了保证供应链的安全,我们必须坚持对纳离子电池的研发,特别是国家机构、国企、大学等等要保持这个研发,因为备胎有一天也许会用上。

最后我用电池可持续性这个话题来做一个总结。可持续性就是三个R字:REDUCE,REUSE,RECYCLE。REDUCE就是节约/节能,反对铺张浪费,大吃大喝,这是我们人类保证电池可持续性最大的依赖。我们平时在周围会发现有些铺张浪费的做法,我这里给两个例子。第一个1000公里长续航车,它需要150度电,这就是相当的浪费。150度电的电池包本来可以用于三辆车,现在用在一辆车上。换电模式也是很大的浪费,假设今天换电模式在商业上成立,假设在上海市中心有一个补能站用换电模式,我们可以假设一天换100套电池包,我就必须要在过夜之前准备好100套电池包,这100套电池包每套成本假如说是10万块钱,那就是1000万成本,所以换电站成本非常非常高,而且还需要很大的空间,在上海市中心一个补能站需要放下100套电池包,这个有点不太可以想像。另外从社会角度来讲,我们不但要为每一辆车子上提供电池包,还要在换电站备上很多电池包,这个对原材料的消耗就更大了。

实施节能节约之后就要想多元化,大众市场的电动车可能绝大多数使用磷酸铁锂,毕竟它的原材料供应是巨大的。一些高端的应用,比如说电动飞机或者无人机可能要用到一些三元电池,钠离子电池还是要作为储备(备胎)。

RESUSE就是重新使用电池,我们都听说过电池寿命发展得越来越长,甚至有200万公里的电池寿命,这种情况下必然要有二次利用、梯次利用,对可持续性作出贡献。

最后是回收,我们要有低能耗的回收技术,低成本,低能耗,最好是碳中和或者零碳排放的回收技术。假如说回收的能耗比开矿原材料能耗还大的话,那也不是一个办法。在回收方面三元电池回收会更有价值一点。

好,我就在这里停住,再次感谢大家,希望在不久的将来我们有面对面交流的机会,谢谢。

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