演講者：王朝陽(yáng)
出品：騰訊WE大會(huì) 新浪科技《科學(xué)大家》
王朝陽(yáng)：電池技術(shù)科學(xué)家，美國(guó)國(guó)家發(fā)明家科學(xué)院院士，賓夕法尼亞州立大學(xué)講席教授。
大家好！ 我是王朝陽(yáng)，來(lái)自美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)，在這里與大家分享電池與儲(chǔ)能的未來(lái)。
電池是以化學(xué)能形式儲(chǔ)存的裝置，使用時(shí)直接轉(zhuǎn)換為電能輸出，用完充電又把電能直接轉(zhuǎn)換為化學(xué)能存儲(chǔ)起來(lái)。2019年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)就是授予了來(lái)自美國(guó)與日本的三位科學(xué)家，表彰他們?cè)阡囯x子電池方面的科學(xué)貢獻(xiàn)。
大家都知道，電池與我們的生活息息相關(guān)，從3C數(shù)碼到電動(dòng)汽車再到航空航天等電池?zé)o處不在，而且電池技術(shù)往往決定新產(chǎn)業(yè)的崛起，比如沒(méi)有鋰離子電池就不會(huì)有智能手機(jī)，更談不上電子商務(wù)5G通信等，同樣也不會(huì)有新能源汽車的革命。
當(dāng)前人類面臨著日益嚴(yán)峻的氣候變化危機(jī)，能源轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行，大力發(fā)展可再生能源，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的目標(biāo)，是整個(gè)人類社會(huì)的共同責(zé)任。可再生能源比如太陽(yáng)能風(fēng)能都屬于間歇性能源，只有通過(guò)儲(chǔ)能才有使用價(jià)值，所以儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)和能源革命的關(guān)鍵核心技術(shù)，具有重大的戰(zhàn)略意義。
電池儲(chǔ)能的應(yīng)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料，要有極高的安全性，能夠保障人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，還要高能量密度高功率可快充長(zhǎng)壽命，還有無(wú)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(lái)，電池技術(shù)的改進(jìn)基本上來(lái)源于材料的創(chuàng)新，我們熟悉的主流電池從鉛酸電池改進(jìn)到鎳氫電池，然后轉(zhuǎn)變到現(xiàn)在的鋰離子電池。鉛酸電池最常見(jiàn)的是在我們的電動(dòng)自行車上或者燃油車的啟動(dòng)電池，鎳氫電池著名的一個(gè)應(yīng)用例子就是豐田的普瑞斯油電混動(dòng)汽車，當(dāng)然鋰離子電池現(xiàn)在在我們社會(huì)的每一個(gè)角落，但即使是最新的鋰離子電池技術(shù)也已經(jīng)有了30年的發(fā)展歷程，在科技日新月異的今天，我們經(jīng)常會(huì)感覺(jué)到電池技術(shù)的力不從心，發(fā)展太慢，無(wú)法滿足我們高速發(fā)展的應(yīng)用場(chǎng)景，甚至滿足不了人們的一些小小愿望，比如說(shuō)可以有一周只充一次電的手機(jī)嗎？有永不自燃的電動(dòng)汽車嗎？
為了這些問(wèn)題，為了加快電池技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們一直在問(wèn)：除了材料創(chuàng)新之外，有沒(méi)有可能顛覆200多年以來(lái)一成不變的電池結(jié)構(gòu)呢？有沒(méi)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(shù)突飛猛進(jìn)呢？
在回答這個(gè)基本的科學(xué)問(wèn)題之前，讓我們先來(lái)看一下這200多年以來(lái)一成不變的電池結(jié)構(gòu)。它有三種材料組成：負(fù)極材料正極材料兩者之間有電解液隔開(kāi)，這種結(jié)構(gòu)自然地形成了兩種界面。一存在于正極材料和電解液之間；二是在負(fù)極材料和電解液之間，而這兩種界面之間存在著電勢(shì)差也就給出了電池的電壓。對(duì)鋰離子電池來(lái)講這個(gè)電壓大約在4伏左右，顯然電池內(nèi)的反應(yīng)界面是永遠(yuǎn)存在的而且一直在工作著，無(wú)論我們使用還是不使用電池，比如說(shuō)我們把電動(dòng)汽車停在車庫(kù)里關(guān)掉汽車，這個(gè)時(shí)候不用電池，但是我們?nèi)匀豢梢詼y(cè)量到電池的最大電壓，這就說(shuō)明電池里的反應(yīng)界面仍然存在而且活躍地工作，而這個(gè)永遠(yuǎn)存在的反應(yīng)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(gè)短路的導(dǎo)體，那么在電壓下面，就會(huì)有巨大的短路電流，可以引爆電池。我們用簡(jiǎn)單的能量平衡計(jì)算就可以發(fā)現(xiàn)，假如說(shuō)內(nèi)短路讓電池的電量100%地釋放出來(lái)，那么電池的溫度會(huì)升到1500度，這是非?？膳碌暮蠊?
我們?cè)倏匆粋€(gè)例子來(lái)充分體會(huì)一下這種永遠(yuǎn)存在的反應(yīng)界面所帶來(lái)的弊病。在冬天的時(shí)候比如說(shuō)在負(fù)的30度，鋰電池是非常怕冷的，它要損失功率9~10倍，所以我們經(jīng)常聽(tīng)到電動(dòng)汽車在冬天“趴窩”，更糟糕的是在寒冷的天氣中電池是沒(méi)有辦法充電的，所以我們沒(méi)有辦法回收剎車產(chǎn)生的制動(dòng)能量，這制動(dòng)能量可以占到20~25%的續(xù)航里程，是相當(dāng)大的能量，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)很尷尬的局面。一方面車企希望駕駛員在冬天開(kāi)車不要打開(kāi)暖氣，節(jié)省電量穿著很厚的棉大衣，但同時(shí)電池又沒(méi)有辦法把剎車產(chǎn)生的巨大能量回收到電池里頭，而是白白浪費(fèi)在剎車皮上，這是一個(gè)非常不完美的產(chǎn)品。
那我們的電化學(xué)家和電池工程師想了非常多的材料解決方法，比如在電解液當(dāng)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(jié)溫度，確實(shí)改善了低溫性能，但同時(shí)也讓鋰電池的電解液沾上了易燃的惡名，我們?cè)诿襟w上經(jīng)常聽(tīng)到電池的電解液是可燃的，這就是解決低溫問(wèn)題產(chǎn)生的后遺癥。
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(shuō)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(lái)構(gòu)造了這么一個(gè)電池，確實(shí)可以解決冬天的問(wèn)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(méi)有抵抗熱失控的能力，因?yàn)槲覀儼央娊庖鹤兂筛邠]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(chǎn)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(jīng)濟(jì)損失達(dá)到18億美金就是一個(gè)很好的警醒。
那么電芯安全有問(wèn)題我們的工程師說(shuō)有辦法，可以把這些易燃易爆的電芯封裝在銅墻鐵壁的容器當(dāng)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是增加了電池的重量體積和成本，馬上導(dǎo)致了電池整個(gè)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(gè)低溫問(wèn)題，冒出來(lái)兩個(gè)新的問(wèn)題：能量密度下降和成本上升。
我們電化學(xué)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?yàn)殡姵貎?nèi)的反應(yīng)界面是永遠(yuǎn)存在，而電池材料自身無(wú)法同時(shí)滿足低溫高活性和高溫穩(wěn)定性，也就是說(shuō)要讓材料在低溫的時(shí)候很活躍，在高溫的時(shí)候很穩(wěn)定，這個(gè)看上去幾乎是一個(gè)無(wú)解的難題。那么對(duì)這樣一個(gè)難題一個(gè)很有意思的想法就來(lái)了，有沒(méi)有一種電池，我們?cè)诓皇褂玫臅r(shí)候可以把反應(yīng)界面關(guān)掉一些，提高安全性，然后在使用的時(shí)候把界面調(diào)大、調(diào)強(qiáng)，給出工作時(shí)所需要的高功率呢？
在過(guò)去10多年中，我的團(tuán)隊(duì)一直在尋找和探索這種可調(diào)控界面的電池，確實(shí)我們找到了一種熱調(diào)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(xué)界面調(diào)大調(diào)強(qiáng)。有了這個(gè)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(shí)候電池內(nèi)的化學(xué)界面當(dāng)然是保持最低的水平，保障了電池的絕對(duì)安全和最低的老化速率。而工作的時(shí)候，用熱刺激可以把電池里的反應(yīng)界面瞬間調(diào)大調(diào)強(qiáng)來(lái)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(nèi)把電池溫度降到40度以下，這樣電池回到它的原始狀況，是安全的穩(wěn)定的或者說(shuō)是低調(diào)的。
那么熱調(diào)控的范圍有多少呢？我們來(lái)看一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖表的豎坐標(biāo)是用可以測(cè)量的電池內(nèi)阻來(lái)反面地表征電池的活性，內(nèi)阻和活性是成反比關(guān)系的。我們看到熱調(diào)控可以把電池的內(nèi)阻從1000降到15歐姆平方厘米，也就是說(shuō)把電池的活性增加60倍，說(shuō)明熱調(diào)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(shí)驗(yàn)證明了我們熱調(diào)控機(jī)理適用于所有的化學(xué)和材料體系，無(wú)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(diào)控范圍，所以現(xiàn)在我們有了一個(gè)快速的低能耗的調(diào)控范圍大的調(diào)節(jié)界面的方法，我們就可以發(fā)明和創(chuàng)造新型的電池。
針對(duì)前面講到的低溫痛點(diǎn)，我們發(fā)明了全氣候電池，這是在不改變電池材料危險(xiǎn)性的基礎(chǔ)下，也就是說(shuō)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(nèi)部植入一片10微米厚度的鎳箔作為發(fā)熱體，這個(gè)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(gè)開(kāi)關(guān)我們就可以隨意調(diào)控電池的活性，那么哪怕在負(fù)30度的環(huán)境里凍透的電池，我們也只需要30秒時(shí)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(diǎn)是：
一、30秒之內(nèi)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
三、也是最重要的一點(diǎn)是它不損害電池的安全作為代價(jià)，沒(méi)有改變材料的活性，或者說(shuō)安全性，達(dá)到了電池在極低溫度下照常工作的目的
從實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)發(fā)現(xiàn)到產(chǎn)品化商業(yè)化又是一個(gè)艱難的歷程，我要感謝我們的合作者和參與企業(yè)，他們花了三年時(shí)間從18年到20年連續(xù)三年，在東北海拉爾進(jìn)行實(shí)地車隊(duì)的試驗(yàn)，充分驗(yàn)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(huì)作出有力的保障。
熱調(diào)控原理讓我們也發(fā)明了10分鐘快充電池，因?yàn)榭斐涞目茖W(xué)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(diào)控機(jī)理可以讓電池做到這些，所以未來(lái)當(dāng)電動(dòng)汽車來(lái)到快充樁之前，我們可以給電池來(lái)一個(gè)30秒的熱刺激，然后再在10分鐘之內(nèi)把大電流充到電池當(dāng)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(méi)有損害。10分鐘快充電池的應(yīng)用和推廣將是電動(dòng)汽車的一個(gè)重要里程碑，因?yàn)樗峁┝艘环N快速便捷的補(bǔ)能方法，一定會(huì)引發(fā)電動(dòng)汽車和許多應(yīng)用場(chǎng)景的革命性變化。比如說(shuō)原來(lái)電動(dòng)汽車需要80度電來(lái)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(shí)隨地的快速補(bǔ)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(shuō)一輛車上的電池可以用在兩輛車上，是真正實(shí)踐“少就是多”的哲理。
快充電池技術(shù)也為未來(lái)飛行汽車實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的最重要的先決條件。飛行汽車是我個(gè)人的夢(mèng)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(kāi)地面的交通擁堵，但是飛行汽車對(duì)電池的要求相當(dāng)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(duì)電池進(jìn)行快速的補(bǔ)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(shí)。
目前我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已經(jīng)證實(shí)了10分鐘快充電池用于飛行汽車的可行性和經(jīng)濟(jì)性。那我們也肯定會(huì)問(wèn)：是不是可以用調(diào)控界面的原理來(lái)開(kāi)發(fā)出永不自燃的安全電池，而且不但要高安全還要大比能呢？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(jiǎn)單的電解液添加劑來(lái)進(jìn)一步鈍化電池中的電化學(xué)界面，這里關(guān)鍵是鈍化把電化學(xué)界面鈍化，我們的實(shí)驗(yàn)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(gè)反應(yīng)界面被關(guān)閉掉3/4只剩1/4的電池，是不是非常安全呢？
確實(shí)我們把這種鈍化過(guò)的電池進(jìn)行最嚴(yán)苛的針刺實(shí)驗(yàn)，即使是采用最大的能量密度的電芯，290瓦時(shí)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(guò)55度，這比磷酸鐵鋰電池針刺溫度60度還要低，也就是說(shuō)我們可以把極高能量密度的三元電池，做的比普通的磷酸鐵鋰電池還安全。
那么你的問(wèn)題可能就來(lái)了，這樣一個(gè)鈍化掉的電池，也就是只剩1/4反應(yīng)界面的電池，又怎樣讓它在工作的時(shí)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(duì)比電池1.7倍的功率，這就是“鈍化電池，加熱使用”的獨(dú)特設(shè)計(jì)原則。我們還發(fā)現(xiàn)了一種熱調(diào)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(diǎn)：一解決了低溫性能差的問(wèn)題，因?yàn)橛辛藷岽碳さ墓δ?，我們不再依賴于磷酸鐵鋰材料本身的低溫性能，比如說(shuō)在冬天里，我們可以讓電池的溫度在30秒之內(nèi)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(shí)現(xiàn)10分鐘快充，這個(gè)意義非常大，因?yàn)?0分鐘快速便捷的補(bǔ)能就能讓磷酸鐵鋰直接避開(kāi)他能量密度比較低的缺陷，這個(gè)時(shí)候里程焦慮不再是問(wèn)題，因?yàn)殡S時(shí)隨地都可以便捷地補(bǔ)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(diào)控磷酸鐵鋰電池，目前在實(shí)驗(yàn)室我們已經(jīng)做到300瓦時(shí)每公斤的能量密度并成本有望降至每瓦時(shí)3毛5。新成果再加上第一代的其他優(yōu)勢(shì)，例如10分鐘快充，不怕冷，還有不含鈷，鈷是戰(zhàn)略性金屬，沒(méi)有熱管理系統(tǒng)，這應(yīng)該是一款幾乎接近終極的電池，可滿足絕大部分的應(yīng)用需求。
讓我們來(lái)總結(jié)一下：電池和儲(chǔ)能是新能源時(shí)代和智能社會(huì)最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一，在未來(lái)的十年我相信將迎來(lái)巨大的創(chuàng)新機(jī)會(huì)，因?yàn)槲覀儾坏珪?huì)繼續(xù)材料的創(chuàng)新，而且在科學(xué)上已經(jīng)揭示了可調(diào)控反應(yīng)界面的可能性，這種可調(diào)控的工作生態(tài)將為材料創(chuàng)新打開(kāi)新的大門。
我前面講的全氣候電池、10分鐘快充電池、碩安電池還有低成本的熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池，只是我們發(fā)明創(chuàng)新的剛剛開(kāi)始，我們真誠(chéng)的邀請(qǐng)您的加入，一起探索主動(dòng)調(diào)控、主動(dòng)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(jiǎn)短分享一下我個(gè)人在科研生涯中的三點(diǎn)體會(huì)：
第一，作為一個(gè)科學(xué)工作者，要有勇氣和毅力去走沒(méi)有人走過(guò)的路，不要太在乎別人的想法和看法，因?yàn)閯?chuàng)新總是孤獨(dú)的。
第二，簡(jiǎn)單就是美。一般有實(shí)用意義的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，一定是精致的簡(jiǎn)單。
第三，誠(chéng)實(shí)的能源。我們?cè)谧隹茖W(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明之前，甚至在獨(dú)立思考別人的工作之前，首先要記住能量是守恒的。
