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与王朝阳院士聊了聊：从汽车到飞行器，电池未来需要怎样的技术特性？

晰数塔互联网快讯
2022-06-15 14:47

经纬科创汇动力电池专场又与大家见面了，我们和DeepTech战略合作，邀请到了学界与业界的资深专家，以及行业投资人与创业者来进行交流。

本篇是我们动力电池系列的第3篇文章，访谈对象是王朝阳院士，他是国际知名的动力电池、储能与燃料电池技术科学家，也是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、电池与储能研究院院长。

王院士在锂离子电池和燃料电池技术方面有接近30年的研究经验，在Nature、Nature Energy、Joule、PNAS、Science Advances等期刊上发表了220多篇学术论文，他还拥有120多项专利，并出版了两本专著。

其中，王院士发表在《Nature》上的关于全气候电池（ACB）的发明，被2022年北京冬奥运会采用，成为驱动奥运电动汽车的核心技术之一，同时该技术已经授权给了宝马等车企。而另一项最新技术“充电10分钟，续航400公里”，利用快速加热以及非对称的充放电温度(Asymmetric Temperature Modulation, ATM)实现了高比能锂离子电池的极速充电，颠覆性地解决了“10分钟内充好电动汽车”难题，该成果发表于2019年10月《Joule》上，这是迄今为止在极速充电领域被报道的最好结果。

我们与王院士探讨了电池包小型化、正负极材料选取需要遵循的规律、固态电池的难点与可能性、飞行电池（用在eVTOL上）需要什么样的技术特性……如果你想更系统地了解动力电池，请参考我们本期科创汇的其他文章（《动力电池全面爆发时刻，谁将引领下一次产业革新？》），未来我们还会分享一系列分析研究。以下，Enjoy：

王朝阳院士

经纬：当下，电动汽车正面临着原材料的严重匮乏，锂、镍、钴价格都在飙升，似乎我们没有足够多的动力电池，来满足消费者对电动汽车日益增长的需求。在这种情况下，您认为是否应该反思长续航/大电池的发展方向，比如开始考虑电池包小型化的策略？有什么技术革新可以让小电池包来为消费者解决里程焦虑？

王朝阳：目前这个是全球性的问题，一些金属原材料匮乏，再加上疫情期间全球供应链极其脆弱。在这种情况下，我们是不是还应该再在大众电动汽车坚持长续航路线，因为长续航意味着必须是大电池，但因为各种原因产能不够。

所以我们应该考虑电池包小型化的路线，比如原来150度电、续航1000公里的电池，现在把它做成50度电，这样原本只能用在一辆车上的动力电池，现在可以用在三辆车上。

但50度电需要去解决里程焦虑，否则也不可行。这就涉及到很多关键技术，最重要的就是快充。50度电一般可以续航300公里，如果可以在十分钟内再充满50度电，就不会太影响驾乘体验。所以快速便捷的补能，将会是以后解决电池供应、原材料匮乏的一个重要手段。

经纬：如果要走电池包小型化的路线，是不是同时也需要大幅提高充电桩的覆盖率？需要兴建大量新的基础设施？

王朝阳：我们可以做一个简单的计算。当把电池包小型号化以后，就拿50度电作为例子，国内也有很多特斯拉250千瓦的超充桩，它实际上可以在一个小时中，服务5辆50度电的电动车。这说明我们的快充桩，如果是以国家基建的形式去做应该很容易解决。

第二点，实际上现在特斯拉的超充桩，每一个桩一个小时只能服务一辆电动车，利用率只有20%。如果把快充系统做好，就可以在现有的快充桩上，增加5倍的利用率，也就是现有的超充桩已可以支撑增加5倍的电动车数量。电池包小型化、快充、大功率超充桩是一个体系。

经纬：电化学其实是一个相对成熟的领域，它的“第一性原理”就是能量守恒定律，您认为怎么依据这个定律来选择技术路径与投资方向？

王朝阳：对这一点也是我经常说的，动力电池的第一性原理就是能量守恒，做技术的也好，做产品的也罢，不会有不费吹灰之力就能飞上天的事情，所以用第一性原理可以去判断很多技术和企业发展方向。

举个例子，假设要想续航一千公里，就必须要消耗150度电，这就是能量守恒，无论能量密度多高，一度电多少钱，成本就在那。而储能实际上是一个非常昂贵的事情，我要储一度电需要一千块钱成本在电池里，相比补能一度电，可能就只要花一块钱。

所以储能和补能相比，其中有一千倍的成本差距。我们在发展有商业价值的技术或产品时，一定要想到，不是说储能储得越多越好、时间越长越好。如果反过来，储很少的能，但可以靠补能快速周转过来，整体成本一定才是最少的。这就是用第一性原理去思考未来的路径。

经纬：您之前还提过，电池的安全性应该排在第一位，其中保证安全的电芯将是关键。在安全性方面，最近有哪些技术突破？

王朝阳：安全是绝对第一位的。没有安全的电池，新能源汽车成不了产业。去年美国通用汽车公司，大概有20多例电动汽车着火，最终导致大量召回，此举损失了18亿美金，非常惨重。所以无论从哪个角度来说，安全都是第一位的考量因素。

此外，由于电池包集成是大势所趋，比如C2C（Cell to Chassis），就是直接把Cell放到台架上面，这就对电芯本身的安全性提出了更高的要求。因为这时候的电池包，就不可能通过简单方法，比如在两个电池之间，放隔热材料来防止火焰传播。并且也不可能当一个电池坏了，能够隔离其他的，再把它很容易地取出来换掉，因为电芯都已经集成到车体里面了。

在这种大趋势下，电芯本身就要足够安全，一定要用耐热稳定的材料，比如电解液中挥发性强的溶剂必须要去掉，这些都是动力电池在越来越集成大趋势下的结果，未来为了节省空间，电池甚至可以集成在车门里。

经纬：固态电池一直被视为有巨大颠覆潜力的机会，但在当下，全固态因为“固固接触”的问题，发展得还很艰难。未来也许需要有新的材料突破，或是别的领域的降维打击，才能带来颠覆性改进。您最近有看到什么有潜力的技术突破吗？

王朝阳：现在全固态电池，在电解质和电极材料之间，存在了一个固-固的界面，随着充放电时电极体积变化，会产生很多问题。同时一些高导电率的电解质，真正用在全固态电池上效果并不好，因为在材料选择上必须要考虑平衡，不仅要导电率高，还要稳定。很多所谓的超导电率固态电解质，特别是硫化物，都是非常不稳定的。

所以近年来，我觉得在全固态电池中，最大的突破其实是人们对固态电池有了科学的认识，知道要把全固态电池的整体性能做好，就不应该只追求高导电率，我们目前的研究方向已经转向在导电率和稳定性之间寻求一个平衡。

这是一个新的认知，也是一种突破，我相信在未来会有一些高稳定性的新材料出现。我的一个预测是，未来主流的全固态电池需要加热后才能使用，它可能在常温下活性平平，需要在60度或80度工作。真正做到工作时大功率，不工作时高安全。

固态电池工作原理示意图

经纬：另外在全固态电池里，您觉得正负极材料会跟现在的三元/磷酸铁锂体系有所不同吗？

王朝阳：全固态只是解决了电解质的问题，实际上使用的还是同样的正负极材料，没有变化。从理论上来说，把电解液换成电解质，和正极、负极的活性材料没有太大的关系。但它可能会帮助一些在电解液中比较难成功的材料，比如锂硫体系中的硫，由于会溶解然后跑到负极上，但在固态电解质中能得到解决。但从原理上说，无论用什么电解液或电解质，不太影响能量密度。

经纬：我们现在听到的都是固态电池的各种优势，比如更安全等等，但固态电池本身有什么劣势吗？

王朝阳：其实固态电池的各种优势，目前都还是我们美好的愿望。我之前一位德国同事讲过一个观点，他说假如固态电池能在2026年商业化，而汽车行业必须有4-5年的合规验证时间，那么倒推到今天，各大科研院所应该都在测试自己的固态电池。但在今天，几乎所有科研院所都还没有像样的固态电池，更没有车规级的测试数据。

所以我们现在的很多想法，包括认为更安全，其实都还没有经历过大规模的测试。我们目前只是预测，固态电解质因为不会燃烧就会更安全。但电池安全有很多方面，比如我的课题组在3月就发表了一篇文章，其中就提到固态电池的短路问题。

假如固态电池可以实现快充，一旦短路，释放的能量是巨大的。由于固态电池能量密度很高，我们估算了一下，它可能会让温度升到1500度。在1500度时，没什么材料还能是安全的。首先你的正极会放氧，比如三元材料在200-230度就会释放大量氧气，另外固态电池负极用的都是锂金属，而锂金属在180度就融化了，这都还远远没到1500度。

所以我们说固态电池更安全、能量密度更高等等，都是基于美好的预测。我觉得很多预测，还是要等样品做出来，现在去谈优势还为时过早。

经纬：听您这么说，其实固态电池的不确定性还挺大的，目前其实还是很早期的事情。

王朝阳：的确还非常早期。历史上发生过很多过于乐观的预测，比如氢燃料电池。早在90年代初，加拿大的一家公司就声称氢燃料电池可以用在汽车上，并且五年之后就会大规模商业化。那是90年代，当时也拿到很多融资，声量非常大。

但到了1995年的时候，完全没有实现商业化，当时说还要五年。又到了2000年，也还是不行，2000年后经历了一个又一个5年，都没有实现大规模商业化。对于很多新技术，我们也不能过于乐观，有可能永远是五年之后。

经纬：我们对固态电池大规模商业化的预测，的确越来越晚，一开始有人说可能2025年，后来又到2027年，再到2030年，一直在往后延，您怎么预测时间表？

王朝阳：对于这种有潜力的新技术，其实很难去预测它到底什么时候能成熟，但有一点可以确定的是，它一定要能通过实验期，在几千辆甚至上万辆车上能够跑通。从渗透率的角度来说，肯定要超过0.1%，这已经是很小的比例，但目前都没有实现这样的目标。我觉得全固态电池应该还需要十年时间，真正的商业化至少在2030年之后。

目前去讨论全固态电池什么时候能规模化，还为时过早，我们是在等待科学上的突破，也许明天发生，也许十年以后发生。企业的发展不应该依赖于等待，而是要利用比较成熟的技术先发展。

经纬：最近，还有很多人在讨论钠离子电池，您觉得钠离子电池目前发展如何？未来它更适合什么样的场景，可能会占有哪些领域的市场？

王朝阳：我对钠离子电池的简单概括就是，它是锂离子电池的一个备胎。它实际上是跟铁锂电池在竞争，相比铁锂电池来说，钠离子电池最主要的优势是钠资源非常丰富，虽然锂资源也不算太少，但它的生产和供应还不足。

钠离子电池最大的劣势，就是除了钠资源丰富之外，其他的地方都输于铁锂电池，能量密度不算太高、因为缺乏供应链生产成本也不一定很低。

虽然如此，我依然觉得高校和政府研究机构，应该坚持对钠离子电池的研发，因为这是一个重要的备胎，也许有一天会用上。从多元化角度是好的，不但是钠电池，还有钾电池、铝电池都值得研发。当然对企业来说，投资一个备胎是非常昂贵的事情，因为你不知道它哪一天能用上。

经纬：您之前对飞行电池（eVTOL）也做过很多研究，包括热调控技术等等。用在eVTOL上的这类电池，可能和电动车上的动力电池有什么不一样？

王朝阳：我觉得国内的电池制造商去拓展eVTOL（电动垂直起降飞行器）电池走出口路线是很不错的。如今美国、欧洲还有韩国，在eVTOL方面都投资很大，像韩国想以现代集团为主，大量投资eVTOL，希望能够把它商业化。eVTOL未来在很多大都市都很有市场，它可以代替一部分地面通勤，大大减少高峰期的拥堵。

对于飞行电池，它其实和电动车上的动力电池非常像，比如说也要求很高的能量密度，以及功率密度，因为在垂直起飞和降落的时候，需要非常大的功率。所以飞行电池会是三元材料的，因为磷酸铁锂太重了，能量密度也不太够。用钴也完全可以，因为eVTOL的量不会像电动车那么大。

除此之外它还需要有快充的能力，这可能是eVTOL电池和电动车电池最大的区别。eVTOL应该是不带过多的电池，但一降落马上要充电桩充电。因为第一，如果在空中带着过多的电池飞好几趟，这很愚蠢，能量效率很低。

第二，带过多冗余电量也是不安全的，这就像现在的商用飞机，在降落的时候需要仅剩不多的燃料，来保证安全。同样飞行电池也是，eVTOL的电池在降落之前，可能只剩下20%、25%的电量，不然降落很危险。

所以快充能力至关重要，它最好就是在有充电桩的环境下降落，然后在10分钟之内充好电，这样才能保证eVTOL的运行效率。