鉅大LARGE | 點擊量：654次 | 2022年06月28日
華人科學(xué)家為電池裝上"溫控開關(guān)"，新型電池或?qū)⒏鎰e自燃
TSLA、蔚來、比亞迪等諸多品牌的電動汽車在近兩年的自燃事件"你方唱罷我登場"，接二連三的事故讓新能源汽車的安全問題成為社會關(guān)注的焦點。而在近日，保時捷也加入到電車"自燃大軍"之中，其在美國首批交付的130輛Taycan電動汽車中的一輛在車庫中自燃，被燒得只剩下骨架，甚至連車庫也沒能幸免，被燒得面目全非，損失慘重。
隨著人們對電子產(chǎn)品性能要求的不斷提高，比如手機游戲越發(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供應(yīng)更高的能量密度，延長續(xù)航時間；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GalaxyNote7手機的"爆炸門"和其他手機在充電時發(fā)生危險的新聞，以及電動汽車的不斷起火事故，種種情況都指向了一個核心問題：在追求更高能量密度和充電效率的電池時，人們往往會忽視最根本的電池安全問題。雖然電動汽車自燃起火的原因很多很復(fù)雜，但總體來講，重要還是電池的問題。尤其Taycan電車宣傳的目前量產(chǎn)純電動汽車中充電速率最快的800V快充技術(shù)，充電5分鐘可達100km續(xù)航，或許在安全性上驗證了"欲速則不達"這句話。
電池的反應(yīng)活性和穩(wěn)定性，有關(guān)研究人員來說就像魚和熊掌一般，二者不可得兼。鋰電池如今廣泛應(yīng)用于電動汽車、消費電子設(shè)備和固定能源存儲系統(tǒng)中。追求高安全性和高能量密度，是其發(fā)展進程中的一個永恒主題。而要讓電池達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)定性自然就會受到影響，進而可能帶來潛在的安全隱患，這成為了一個"悖論"。
如今，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)終身教授王朝陽院士，帶領(lǐng)研究團隊克服了電池材料反應(yīng)活性和穩(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（SafeandEnergy-denseBattery）。王朝陽表示，研究團隊將其稱為"碩安"電池，意指其大能量，又高安全。該成果在2020年二月二十八日發(fā)表于國際優(yōu)秀期刊、《科學(xué)》的子刊《ScienceAdvances》上。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
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。"但是，王朝陽團隊的這項研究能夠大幅度提高電池的安全性，或?qū)氐捉鉀Q電動汽車的自燃問題。
以退為進，安全和性能兼得之
通常情況下，電池的性能、安全性和使用壽命均取決于陽極和陰極各自和電解質(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NCM811替換NCM622/523等。
但問題就來了，擁有高活性的電極/電解質(zhì)材料，會導(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必會做出一定犧牲。此外，這種高活性材料即便在電池不被使用時也會逐漸退化，從而降低使用壽命。
而王朝陽的研究思路則另辟蹊徑，他"以退為進"，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"控制工作的開關(guān)"，讓電池只有在工作時才會以最佳狀態(tài)呈現(xiàn)（在使用前瞬間加熱到60℃來保障高功率運作），其余時間則處于"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。"經(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)境下進入‘冬眠狀態(tài)’，抑制了材料活性，提升電池安全性。"王朝陽解釋說。
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，進一步保障了電芯的最高比能。
圖|SEB電池（來源：王朝陽）
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)動力特點，使其輸入高功率。"研究人員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以高功率正常使用。
"SEB電池的性能和環(huán)境溫度或天氣無關(guān)，因為它可以在幾秒鐘內(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消耗電池能量，但經(jīng)過實驗驗證，結(jié)果和直覺正相反，電池的總輸出能量并沒有減少。"王朝陽說，"除此之外，拿電動汽車為例，絕大部分時間車是停著的，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)測試，SEB電池的使用壽命也遠超當(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，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，將為長時間作業(yè)的車輛，比如出租車、物流貨車、皮卡、大巴等供應(yīng)更長壽命的保證。
"我們的百萬公里長壽命電池比TSLA的研究要更為領(lǐng)先，因為我們的新型鈍化電池是在60℃的高溫條件下做到的，而TSLA是在常溫做到的。"王朝陽說道。
貼近產(chǎn)業(yè)，可快速商業(yè)化
有關(guān)電池的未來發(fā)展，固態(tài)電池作為被諾獎得主"足夠好"老爺子（JohnB.Goodenough）"欽點"的方向，受到了科學(xué)界和產(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。王朝陽表示："2025年也許會有固態(tài)電池的樣本；而可大規(guī)模生產(chǎn)的固態(tài)電池，預(yù)計在2030年才會出現(xiàn)。在中間這十年里，也會存在很多潛在創(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。"王朝陽說。和其他高校的實驗室不完全相同，王朝陽所在機構(gòu)本身擁有研發(fā)和應(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)動機中心和電池和儲能技術(shù)研究院，擁有全球領(lǐng)先的科研團隊，專長電池科學(xué)的基礎(chǔ)研究。王朝陽是該研究院的院長。同時，他的團隊還孵化出ECPower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)。
王朝陽稱，"我們在重視未來電池科學(xué)的基礎(chǔ)研究的同時，也著眼于如何顛覆當(dāng)下使用的電池的性能和安全性，因為這是和新能源汽車等產(chǎn)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)的，是會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)"，源于王朝陽團隊在2016年發(fā)于《自然》期刊的全氣候電池發(fā)明。當(dāng)時，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)可以對電池進行均勻的內(nèi)部加熱，并為電極和電解質(zhì)供應(yīng)快速熱傳遞；這個自熱功能是通過關(guān)閉激活端子和負極端子之間的開關(guān)來控制的。
圖|在三個基本的電池組件：陽極（Anode）、陰極（Cathode）和電解質(zhì)（Elecetrolyte）之外，添加了第四個組件——鎳箔（Metalfoil）（來源：Nature）
王朝陽表示，這正驗證了他們的開發(fā)思路——不斷地推進研發(fā)，將階段性成果投入到規(guī)模化應(yīng)用測試；再進一步深化研究，對其優(yōu)化創(chuàng)新。目前全天候電池技術(shù)已被北汽、廣汽集團，以及寶馬公司等采用，以便讓電動汽車不再受溫度或者環(huán)境所限。王朝陽介紹說，"這項工作是和我國工程院院士孫逢春團隊共同合作的，是2022年冬奧會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，體積和重量給原電池結(jié)構(gòu)帶來的變化不會超過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)對電池來說是平臺級別的技術(shù)。"王朝陽補充道，"除了目前液體電池之外，未來固態(tài)電池同樣要該設(shè)計來提高電池的反應(yīng)活性。"
在2019年十月，王朝陽的團隊還曾研究出60℃下的鋰電快充技術(shù)，真正意義上做到10分鐘內(nèi)充滿電動汽車80%的電量，續(xù)航可達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。作為比較，TSLA的ModelS目前快充效率為40分鐘充電80%。而這種熱刺激技術(shù)，屬于主動控制，沒有改變材料本身特性，所以不會影響安全性能。
王朝陽對DeepTech表示："目前的研究方向之一，就是將快充技術(shù)和新型的鈍化電池結(jié)合，這樣就會更大程度地提高電池能力和性價比。我研究鋰電池的時間已經(jīng)25多年，期間一直堅信研究出的方法越簡單，技術(shù)就越成熟，實用價值越高。"
此外，他還表示我國是未來新能源汽車的最大市場，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用的技術(shù)引入到我國，讓有意愿的機構(gòu)實現(xiàn)商業(yè)化落地，推動新能源汽車等行業(yè)的更好發(fā)展。
王朝陽簡介
圖|王朝陽教授（來源：本人）
王朝陽是美國國家發(fā)明家科學(xué)院院士，賓夕法尼亞州立大學(xué)機械工程講席教授，化學(xué)工程、材料科學(xué)和工程杰出教授，賓州大電化學(xué)發(fā)動機中心和電池和儲能技術(shù)研究院主任，eTransportation的編委。
他在鋰電池和燃料動力鋰電池方面發(fā)表過220多篇期刊論文，被引量超過3萬次，H指數(shù)為98，是湯森路透評選的"工程學(xué)高被引科學(xué)家"之一。他擁有80多項專利、兩本專著。其有關(guān)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《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）和Joule上，受到世界各大主流媒體的關(guān)注和報道。
上一篇：鋰電新一輪IPO沖刺"前夜"
