特斯拉、蔚來、比亞迪等諸多品牌的電動(dòng)汽車在近兩年的自燃事件“你方唱罷我登場(chǎng)”，接二連三的事故讓新能源汽車的安全問題成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。而在近日，保時(shí)捷也加入到電車“自燃大軍”之中，其在美國(guó)首批交付的 130 輛 Taycan 電動(dòng)車中的一輛在車庫(kù)中自燃，被燒得只剩下骨架，甚至連車庫(kù)也沒能幸免，被燒得面目全非，損失慘重。
隨著人們對(duì)電子產(chǎn)品性能要求的不斷提高，比如手機(jī)游戲越發(fā)大型、精致，視頻直播、拍照修圖的需求也越來越多，我們一方面要求電池可以提供更高的能量密度，延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間；另一方面還要求能夠快速地充電，以便適應(yīng)快節(jié)奏生活。
但三星 Galaxy Note 7 手機(jī)的“爆炸門”和其他手機(jī)在充電時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)的新聞，以及電動(dòng)汽車的不斷起火事故，種種情況都指向了一個(gè)核心問題：在追求更高能量密度和充電效率的電池時(shí)，人們往往會(huì)忽視最根本的電池安全問題。雖然電動(dòng)車自燃起火的原因很多很復(fù)雜，但總體來講，主要還是電池的問題。尤其 Taycan 電車宣傳的目前量產(chǎn)純電動(dòng)車中充電速率最快的 800V 快充技術(shù)，充電 5 分鐘可達(dá) 100 km 續(xù)航，或許在安全性上驗(yàn)證了“欲速則不達(dá)”這句話。
電池的反應(yīng)活性和穩(wěn)定性，對(duì)于研究人員來說就像魚和熊掌一般，二者不可得兼。鋰離子電池如今廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子設(shè)備和固定能源存儲(chǔ)系統(tǒng)中。追求高安全性和高能量密度，是其發(fā)展進(jìn)程中的一個(gè)永恒主題。而要讓電池達(dá)到更高的能量密度和充電速度，唯有提高化學(xué)反應(yīng)活性一途，如此一來，穩(wěn)定性自然就會(huì)受到影響，進(jìn)而可能帶來潛在的安全隱患，這成為了一個(gè)“悖論”。
如今，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)終身教授王朝陽(yáng)院士，帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)克服了電池材料反應(yīng)活性與穩(wěn)定性之間的矛盾，研制出一種安全性能得到數(shù)倍提升的新型電池——SEB（Safe and Energy-dense Battery）。王朝陽(yáng)表示，研究團(tuán)隊(duì)將其稱為“碩安”電池，意指其大能量，又高安全。該成果在 2020 年 2 月 28 日發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊、《科學(xué)》的子刊《Science Advances》上。
在鋰電池行業(yè)，流行著一句話：“作為能量載體，本質(zhì)安全的電池是沒有的?！钡?，王朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究能夠大幅度提高電池的安全性，或?qū)氐捉鉀Q電動(dòng)汽車的自燃問題。
以退為進(jìn)，安全與性能兼得之
通常情況下，電池的性能、安全性與使用壽命均取決于陽(yáng)極和陰極各自與電解質(zhì)界面之間的電化學(xué)反應(yīng)活性。常見的鋰電池研究思路基本是，用更活潑的材料來替代原有材料，比如三元鋰電池中用 NCM（鎳、鈷、錳）替換 LFP（磷酸鐵），或者是用 NCM 811 替換 NCM 622/523 等。
但問題就來了，擁有高活性的電極/電解質(zhì)材料，會(huì)導(dǎo)致安全性下降。所以追求高性能、快充電速度的研究在安全性上勢(shì)必會(huì)做出一定犧牲。此外，這種高活性材料即便在電池不被使用時(shí)也會(huì)逐漸退化，從而降低使用壽命。
而王朝陽(yáng)的研究思路則另辟蹊徑，他“以退為進(jìn)”，先將活性材料鈍化，提高電池的安全性能；然后，再給電池加上一個(gè)“控制工作的開關(guān)”，讓電池只有在工作時(shí)才會(huì)以最佳狀態(tài)呈現(xiàn)（在使用前瞬間加熱到 60℃ 來保障高功率運(yùn)作），其余時(shí)間則處于“冬眠”狀態(tài)。這樣一來，既可以保證電池的安全性，又可以延長(zhǎng)電池的使用壽命。
研究人員首先通過使用高穩(wěn)定性的材料，并創(chuàng)建了更穩(wěn)定的電極/電解質(zhì)界面（EEI），設(shè)計(jì)出一種擁有更高的電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct）和直流電阻（DCR）的新型鈍化電池?！敖?jīng)過鈍化的電池內(nèi)阻是原有材料體系內(nèi)阻的 5~10 倍，針剌最高溫度從 1000℃ 降到 100℃ 以下。這相當(dāng)于讓電池在常溫環(huán)境下進(jìn)入‘冬眠狀態(tài)’，抑制了材料活性，提升電池安全性?！蓖醭?yáng)解釋說。
此外，高穩(wěn)定性的鈍化電池可以使用最高比容量的活性材料和超厚電池，進(jìn)一步保障了電芯的最高比能。
圖 | SEB 電池（來源：王朝陽(yáng)）
而在增大了電池內(nèi)阻之后，如何讓電池仍然能正常使用？王朝陽(yáng)表示：“我們用熱刺激的辦法可快速調(diào)節(jié)電池的電化學(xué)動(dòng)力特征，使其輸入高功率?！毖芯咳藛T在鈍化電池中加入一種自加熱結(jié)構(gòu)，以每秒 1~5 ℃的速度使電池均勻升溫，只需 10~20 秒便可將電池加熱到 60 ℃，而在該溫度下電池就會(huì)以高功率正常使用。
“SEB 電池的性能與環(huán)境溫度或天氣無關(guān)，因?yàn)樗梢栽趲酌腌妰?nèi)被加熱，并在恒定的高溫下工作。雖然將電池加熱到較高的溫度會(huì)消耗電池能量，但經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果與直覺正相反，電池的總輸出能量并沒有減少?！蓖醭?yáng)說，“除此之外，拿電動(dòng)汽車為例，絕大部分時(shí)間車是停著的，電池沒有被使用。那該新型鈍化電池在常溫條件下容量衰減也變得更為緩慢，經(jīng)過充放電循環(huán)測(cè)試，SEB 電池的使用壽命也遠(yuǎn)超當(dāng)下的同類電池?！?
目前，這款新型鈍化電池在 60 ℃ 環(huán)境下完成了 4000 多次的循環(huán)壽命檢驗(yàn)，相當(dāng)于 160 萬公里壽命（假設(shè)每次充滿電的行駛里程是400 公里）。而這也打破了當(dāng)下鋰電池的壽命紀(jì)錄，將為長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的車輛，比如出租車、物流貨車、皮卡、大巴等提供更長(zhǎng)壽命的保證。
“我們的百萬公里長(zhǎng)壽命電池比特斯拉的研究要更為領(lǐng)先，因?yàn)槲覀兊男滦外g化電池是在 60 ℃ 的高溫條件下做到的，而特斯拉是在常溫做到的?！蓖醭?yáng)說道。
貼近產(chǎn)業(yè)，可快速商業(yè)化
對(duì)于電池的未來發(fā)展，固態(tài)電池作為被諾獎(jiǎng)得主“足夠好”老爺子（John B. Goodenough）“欽點(diǎn)”的方向，受到了科學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注，也有眾多學(xué)者、公司投入到相關(guān)的科學(xué)研究中。王朝陽(yáng)表示：“2025 年也許會(huì)有固態(tài)電池的樣本；而可大規(guī)模生產(chǎn)的固態(tài)電池，預(yù)計(jì)在 2030 年才會(huì)出現(xiàn)。在中間這十年里，也會(huì)存在很多潛在創(chuàng)新。未來的固態(tài)電池同樣可以使用該設(shè)計(jì)來提高電池的活性。”
“我們的研究目標(biāo)就是要能夠商業(yè)化?！蓖醭?yáng)說。和其他高校的實(shí)驗(yàn)室不完全相同，王朝陽(yáng)所在機(jī)構(gòu)本身?yè)碛醒邪l(fā)與應(yīng)用結(jié)合非常成熟的系統(tǒng)。賓州州立大學(xué)專門設(shè)有電化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)中心和電池與儲(chǔ)能技術(shù)研究院，擁有全球領(lǐng)先的科研團(tuán)隊(duì)，專長(zhǎng)電池科學(xué)的基礎(chǔ)研究。王朝陽(yáng)是該研究院的院長(zhǎng)。同時(shí)，他的團(tuán)隊(duì)還孵化出 EC Power 公司，專門從事新產(chǎn)品的開發(fā)和為新技術(shù)的商業(yè)化服務(wù)。
王朝陽(yáng)稱，“我們?cè)谧⒅匚磥黼姵乜茖W(xué)的基礎(chǔ)研究的同時(shí)，也著眼于如何顛覆當(dāng)下使用的電池的性能與安全性，因?yàn)檫@是和新能源汽車等產(chǎn)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)的，是會(huì)直接影響到人們需求的。”
這款新型鈍化電池的關(guān)鍵所在——“溫控開關(guān)”，源于王朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)在 2016 年發(fā)于《自然》期刊的全氣候電池發(fā)明。當(dāng)時(shí)，為了解決電池在寒冷氣候和高海拔地區(qū)的功率銳減等使用問題，他們發(fā)明了一種插入到傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)中的金屬箔結(jié)構(gòu)。該技術(shù)可以對(duì)電池進(jìn)行均勻的內(nèi)部加熱，并為電極和電解質(zhì)提供快速熱傳遞；這個(gè)自熱功能是通過關(guān)閉激活端子和負(fù)極端子之間的開關(guān)來控制的。
圖 | 在三個(gè)基本的電池組件：陽(yáng)極（Anode）、陰極（Cathode）和電解質(zhì)（Elecetrolyte）之外，添加了第四個(gè)組件——鎳箔（Metalfoil）（來源：Nature）
王朝陽(yáng)表示，這正驗(yàn)證了他們的開發(fā)思路——不斷地推進(jìn)研發(fā)，將階段性成果投入到規(guī)?；瘧?yīng)用測(cè)試；再進(jìn)一步深化研究，對(duì)其優(yōu)化創(chuàng)新。目前全天候電池技術(shù)已被北汽、廣汽集團(tuán)，以及寶馬公司等采用，以便讓電動(dòng)汽車不再受溫度或者環(huán)境所限。王朝陽(yáng)介紹說，“這項(xiàng)工作是與中國(guó)工程院院士孫逢春團(tuán)隊(duì)共同合作的，是2022 年冬奧會(huì)上新能源汽車的指定保障技術(shù)?！?
此外，給電池自加熱的鎳箔片厚度目前已經(jīng)降至微米級(jí)，體積和重量給原電池結(jié)構(gòu)帶來的變化不會(huì)超過 1%。據(jù)估算，成本也只有原材料成本的 0.4%左右。“而且，該自加熱結(jié)構(gòu)對(duì)電池來說是平臺(tái)級(jí)別的技術(shù)。”王朝陽(yáng)補(bǔ)充道，“除了目前液體電池之外，未來固態(tài)電池同樣需要該設(shè)計(jì)來提高電池的反應(yīng)活性。”
在 2019 年 10 月，王朝陽(yáng)的團(tuán)隊(duì)還曾研究出 60 ℃ 下的鋰電快充技術(shù)，真正意義上做到10分鐘內(nèi)充滿電動(dòng)汽車 80% 的電量，續(xù)航可達(dá) 300 公里至 400 公里，并且在經(jīng)過 2500 次充放電后，容量只有 8.3% 的損耗。作為對(duì)比，特斯拉的 Model S 目前快充效率為 40 分鐘充電 80%。而這種熱刺激技術(shù)，屬于主動(dòng)控制，沒有改變材料本身特性，所以不會(huì)影響安全性能。
王朝陽(yáng)對(duì) DeepTech 表示：“目前的研究方向之一，就是將快充技術(shù)與新型的鈍化電池結(jié)合，這樣就會(huì)更大程度地提高電池能力和性價(jià)比。我研究鋰電池的時(shí)間已經(jīng) 25 多年，期間一直堅(jiān)信研究出的方法越簡(jiǎn)單，技術(shù)就越成熟，實(shí)用價(jià)值越高。”
此外，他還表示中國(guó)是未來新能源汽車的最大市場(chǎng)，他希望能夠借助此前的成功案例，之后可以定期將一些新的實(shí)用的技術(shù)引入到中國(guó)，讓有意愿的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地，推動(dòng)新能源汽車等行業(yè)的更好發(fā)展。
王朝陽(yáng)簡(jiǎn)介
圖 | 王朝陽(yáng)教授（來源：本人）
王朝陽(yáng)是美國(guó)國(guó)家發(fā)明家科學(xué)院院士，賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械工程講席教授，化學(xué)工程、材料科學(xué)與工程杰出教授，賓州大電化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)中心和電池與儲(chǔ)能技術(shù)研究院主任，eTransportation 的編委。
他在鋰離子電池和燃料電池方面發(fā)表過 220 多篇期刊論文，被引量超過 3 萬次，H 指數(shù)為 98，是湯森路透評(píng)選的“工程學(xué)高被引科學(xué)家”之一。他擁有 80多項(xiàng)專利、兩本專著。其關(guān)于全氣候電池（ACB）的研究發(fā)表在《自然》雜志上，并且被 2022 年北京冬奧會(huì)及全球數(shù)家汽車制造商所采用。他發(fā)明的“速熱快充電池”（FCB）技術(shù)發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）和 Joule 上，受到世界各大主流媒體的關(guān)注和報(bào)道。
