新能源汽車注定是2021年的民眾關(guān)注焦點。

新年初始，國內(nèi)多家公司宣稱將推出續(xù)航超過1000公里的純電動汽車，而中國科學(xué)院院士歐陽明高在1月16日對此表達(dá)了不認(rèn)可：如果有人說，他的電動車既能跑1000公里，又能幾分鐘充完電，而且還特別的安全、成本還非常低，大家不用相信，因為這在目前是不可能同時達(dá)到的。

這碗冷水潑得正是時候。超長續(xù)航到底是否實用？超大容量電池+超快充能否滿足安全性要求？這些關(guān)系消費者痛點的問題需要業(yè)內(nèi)沉著的剖析。

我們連線了美國國家發(fā)明家科學(xué)院院士，賓夕法尼亞州立大學(xué)機械工程、化學(xué)工程和材料科學(xué)與工程系講席教授王朝陽，請他來談?wù)勲妱榆囯姵氐陌l(fā)展。

王朝陽研究工作集中于電池和燃料電池中的運輸、材料制造和建模等方面，他擁有90多項專利（美國、中國、歐盟和日本）。他關(guān)于全氣候電池（ACB）技術(shù)的研究發(fā)表在《自然》雜志上，后來被2022年冬季奧運會選中，為奧運會的電動汽車提供動力。他還在2019年發(fā)布了一項快充技術(shù)稱，10分鐘充電可讓電動汽車充滿80%，續(xù)航300公里到400公里，并且經(jīng)過2500次充放電后，電池容量只有8.3%的損耗。就在最近，王朝陽團隊開發(fā)了一種熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池（TMB），可以滿足低成本、超安全、長壽命、全氣候等多方面需求，這項成果于2021年1月18日發(fā)表在能源領(lǐng)域世界期刊《自然能源》雜志。

談到電池的熱點新聞，他一再強調(diào)能量守恒定律。他說，所有的新聞、所有的發(fā)布或者我們在聽到的一些故事，用簡單的能量守恒定律去分析它，就可以知道它的真實性，以及它的靠譜程度。

王朝陽教授。圖片：賓夕法尼亞州立大學(xué)

王朝陽教授。圖片：賓夕法尼亞州立大學(xué)

為何鴨：最近歐陽明高院士批評了超長續(xù)航和超級快充，這是工業(yè)界跟實驗室研究的錯位嗎？還是說企業(yè)有一些夸大的成分？

王朝陽：這在科學(xué)跟商業(yè)兩方面都有問題。

商業(yè)問題很簡單，假如說1000公里續(xù)航的話，大概需要150度電，所以就算10分鐘充好150度電的話，大概需要900千瓦充電功率的充電樁，而900千瓦充電樁目前是沒有的，最大功率的特斯拉第三代充電樁是250千瓦，所以從商業(yè)角度肯定是沒有可行性的。

從科學(xué)角度也有很大的問題，續(xù)航里程這么長，電池肯定是高能量密度的，比如說6個倍率的充電，在科學(xué)上目前還不成立，至少沒有這樣的報道，沒有經(jīng)過同行科學(xué)家評審過的報道。

實際上快充有一個非常簡單的科學(xué)判決，就是3個數(shù)據(jù)要并存，缺一不可。第一是充電時間；第二是充電后得到了多少能量或續(xù)航里程；第三個數(shù)據(jù)就是電池能夠循環(huán)多少次，這個也很重要。假如充電很快，得到的能量也很多，但是只充一兩次就把電池廢了，這也不算是新技術(shù)，我們大學(xué)一年級的同學(xué)都會做。

這三個數(shù)據(jù)缺一不可，有了這個法則，基本上媒體或者企業(yè)發(fā)布的任何快充的消息都可以自行判斷。

能源這個行業(yè)一定要遵守能量守恒定律，就是說充電功率乘上充電時間等于多少能量，用簡單的能量守恒定律，馬上就可以推算出他們在講什么。

為何鴨：公眾對一些黑科技的期待值比較高，希望有一個突破性的技術(shù)出來。

王朝陽：大家都在期望，但所有的黑科技一定是基于能量守恒定律的。這個是基本的規(guī)則。假如發(fā)現(xiàn)黑科技是永動機，他不符合能量守恒，這個技術(shù)問題就很大了。

為何鴨：我們來看你們剛剛發(fā)表的研究，這個低成本的電池跟2019年10月份發(fā)布的快充技術(shù)相比，根本的區(qū)別在哪？

王朝陽：最根本的區(qū)別是，我們這項研究聚焦于一個主題，降低電池成本。

我們就是希望能夠把電池的成本降到跟燃油發(fā)動機差不多的水平，這樣就可以普及大眾市場的電動汽車。它的意義對減少碳排放非常大，光是賣幾千輛高端電動車，碳中和是無法實現(xiàn)的。

更形象、更簡單的表述就是我們把電池包小型化，然后讓單位成本保持比較低的水平，就能達(dá)到電池整個成本的降低。

這個方向跟國內(nèi)很多車企的方向正好相反，國內(nèi)都是長續(xù)航，要開發(fā)1000公里續(xù)航的電池，150度的電池是什么概念？按照現(xiàn)在三元鋰電池，比如說一瓦是一塊錢，這150度電池就是15萬人民幣。這個車子不是大眾市場的電動汽車，電池成本太高了。

再加上你拖著這么大的一個電池到處跑，這個很危險對吧？那是一個大的能量包。

所以我們把以前的一些技術(shù)都應(yīng)用到新電池上面，包括傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰在冬天性能非常差，我們的電池就不受環(huán)境溫度的影響，因為我們的一定要事先預(yù)熱到60度才工作，它永遠(yuǎn)可以給你好的性能。

這個全天候電池測試過。2022年的冬奧會就采用了這款電池，有大量整車的試驗結(jié)果，包括這些車隊在東北黑河的實驗結(jié)果。

高溫下充電會加快，金色小球代表鋰離子。圖片：賓夕法尼亞州立大學(xué)

高溫下充電會加快，金色小球代表鋰離子。圖片：賓夕法尼亞州立大學(xué)

為何鴨：請你科普一下全天候電池（自加熱電池）。

王朝陽：傳統(tǒng)的鋰離子電池特別怕冷，溫度低的話，鋰離子在正極負(fù)極之間的傳輸受到很大的障礙，所以它的性能要降低很多，降低9倍到10倍的樣子。

傳統(tǒng)的辦法是利用外部加熱，但耗能比較大，并且不是很直接，需要的時間很長，需要一小時以上，所以不能滿足消費者馬上就能用的需求，并且在冬天快速充電更不可能。

我們的全天候電池就是在電芯當(dāng)中給它增加一個鎳片，只有10個微米的鎳箔，鎳箔可以產(chǎn)生自加熱，讓電池的溫度迅速上來。盡管環(huán)境的溫度是零下，我們做到了溫升在60~200度每分鐘，而傳統(tǒng)的外部加熱一般是溫升在0.5~1度每分鐘，我們這個速度提高了兩個量級。一般只要用幾十秒時間就可以讓電池?zé)崞饋恚缓笳９ぷ鳌?/p>

另外，我們經(jīng)過大量的實驗研究發(fā)現(xiàn)，這種自加熱方法消耗的能量非常小。

為何鴨：這個辦法本質(zhì)上是主動控制，不改變材料本身，安全性也沒有變化，能夠迅速讓電池達(dá)到一個適當(dāng)?shù)某潆姷臏囟龋瑢Π桑?/p>

王朝陽：對。我們最早提出結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，傳統(tǒng)電池的結(jié)構(gòu)就是正極、負(fù)極與隔膜，叫三部件結(jié)構(gòu)。我們增加了第4個部件鎳箔，放進去以后，它可以自己儲能，自己調(diào)節(jié)溫度。

為何鴨：提到固態(tài)電池這個概念，我看有公司已經(jīng)在推這個產(chǎn)品了，但是有的人說他這個是半固態(tài)的電池。請你科普一下固態(tài)電池跟三元電池、磷酸鐵鋰電池本質(zhì)的區(qū)別在哪？是液態(tài)跟固態(tài)的差別嗎？

王朝陽：固態(tài)電池的真正意義，是把原來我們常規(guī)的磷酸鐵鋰、三元電池當(dāng)中的電解液，用固體的電解質(zhì)來取代。但固態(tài)電池的研發(fā)，離真正商業(yè)化應(yīng)該還有很遠(yuǎn)的距離。

你可以從媒體報道或者從公司發(fā)布的消息當(dāng)中看到，我們的研發(fā)人員和企業(yè)，基本上都還沒有想清楚到底要做什么樣的固態(tài)電池產(chǎn)品。

為什么這么說？我可以舉幾個例子。第一個例子，你在媒體當(dāng)中可能會經(jīng)常聽說，固態(tài)電池的離子導(dǎo)電率太低了，固-固界面電阻太大了；同時你又看到說固態(tài)電池可以快充。這是互相矛盾的，一個大內(nèi)阻的電池怎么可以快充？那是不可能的。

有的人講半固態(tài)電池，意思就是說正極里頭還有電解液，有一半以上的危險的電解液還留在電池里面，這能安全嗎？

為何鴨：包括豐田在內(nèi)，一些大公司說將來要做固態(tài)電池，是因為固態(tài)電池的安全性更好？

王朝陽：固態(tài)電池大家都要去做，認(rèn)為是下一個發(fā)展的方向。每個企業(yè)有自己的考慮，不但是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的原因，還有企業(yè)的定位、投資的方向。但是固態(tài)電池一定安全嗎？我們有時候想當(dāng)然認(rèn)為是安全的，但是你真正好好去想的話，會發(fā)現(xiàn)它有很多不安全因素。

第一，假如某公司固態(tài)電池做成150度電，這個是很大的一個能量包，即使是固態(tài)，扛著這么大能量包到處跑，也是不安全的。一旦放電、也就是全部電能放出來的話，電池的溫升應(yīng)該在1500度以上。

也就是，如果某個部位短路，電能一瞬間就釋放出來的話，電池材料要達(dá)到的溫度是1500度以上，沒有任何材料是安全的。即使10%的電量被瞬間放出來，固態(tài)電池的溫度就達(dá)到了180度，鋰金屬也熔化了。

為何鴨：回到40千瓦時的電池，是小容量的話更容易控制安全性嗎？

王朝陽：我們發(fā)明的40千瓦時電池是目前所有的市場上最安全的電池。第一，畢竟只有40千瓦時。第二，它的正極是用了磷酸鐵鋰，這是非常安全、熱穩(wěn)定相當(dāng)好的一個材料。第三，我們盡管也是石墨負(fù)極，但因為在60度工作，我們可以把石墨顆粒做大，比表面積可以小，這也提高了安全跟熱穩(wěn)定性。第四，我們用的低電壓的電解液，因為磷酸鐵鋰它的電壓只有3.6/3.7伏，而三元是4.2/4.3伏，所以電解液更安全。

為何鴨：還有個概念需要解釋一下，現(xiàn)在講石墨烯跟石墨負(fù)極是什么關(guān)系？石墨烯為什么是熱點？

王朝陽：大部分的使用場合中，石墨烯只是一個導(dǎo)電劑，增加電子導(dǎo)電率，所以它的用量很少，比如說1%、2%、3%，而石墨是一個儲能材料。打個比方，這個石墨是讓你吃飽的東西，而石墨烯只是味精，調(diào)料。

為何鴨：對于三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的二選一爭論，你覺得未來應(yīng)該如何選？

王朝陽：三元電池能量密度要高一些，但是缺點是它的安全性要差一點，成本也高，還需要用到鈷，鈷是一個戰(zhàn)略性的金屬，所以有明顯的缺點。

電芯材料的能量密度高了以后，安全性就差了，就要在電池包上做更多的安全裝置，來防止三元電池產(chǎn)生不安全。而在電池上加裝另外的裝置以后，它會降低整個系統(tǒng)的能量密度，所以150千瓦時的電池肯定不會去選擇比較重的磷酸鐵鋰，那樣這個車子大概就沒有乘客了。而把電池做小了以后，磷酸鐵鋰就是非常好的一個選擇，因為它有不可超越的優(yōu)點，就是安全性特別好，成本特別低。

所以在不同的場合，這兩種電池都會有用處。最近我們在做飛行汽車的電池，就是電動飛機的電池，以后咱們都可以坐著飛行汽車去上班了。飛行汽車它可以利用三維的交通網(wǎng)絡(luò)，能夠沒有堵車情況下到達(dá)目的地。對飛行汽車，三元電池會是一個首選，因為畢竟飛機是要飛上去的，對重量特別敏感。

我也不能用小型化技術(shù)來做飛行汽車的電池，你總不能飛5分鐘就需要補能，在空中也沒辦法實現(xiàn)10分鐘補能，所以我覺得這兩個技術(shù)在不同的場合都有自己的用途。

日本SkyDrive飛行汽車公司的首席工程師兼測試飛行員ToshiroAndo走下SD-03飛行汽車。圖片：CFP

當(dāng)?shù)貢r間2020年8月25日，日本愛知縣豐田市，在豐田試驗場，日本SkyDrive飛行汽車公司的首席工程師兼測試飛行員ToshiroAndo走下SD-03飛行汽車。圖片：CFP

為何鴨：提到飛行汽車我也很好奇，包括國內(nèi)也有公司在做這方面項目，如果用燃油發(fā)動機做動力，不是一樣嗎？

王朝陽：我們現(xiàn)在的飛行汽車垂直升降，它是大都市使用的交通工具，對污染、噪聲都是非常敏感的，所以用燃油現(xiàn)在不是一個發(fā)展方向。

未來飛行器會做成無人駕駛的智能型，沒有駕駛員就可以省一個座位的空間和一個人的重量，這樣它必須要配備比較大的電腦，然后有很多數(shù)據(jù)處理的功能，這時候需要大電池，所以即使用汽油機的話，還得配一個大電池，這樣的話整個重量會超出純電動的做法。

燃油車轉(zhuǎn)變成智能汽車有一個巨大的障礙，因為用到的一些傳感器，都是需要電力控制的。包括剎車，用電控制都會更快、更精確。

為何鴨：談到未來的趨勢，豐田也在推氫能電池的電動車。在中國，北京也有氫能電池試點，在你看來，氫能電池的趨勢是什么？

王朝陽：氫能燃料電池，我本人也研究了十幾年。它的最大毛病，一是成本太高，另外一個問題就是壽命還不夠。它需要科學(xué)上的突破，讓成本降一個量級，然后才能談商業(yè)化，目前離普通消費者還有一些距離。

過去的20年，至少國際上有20個公司，每個公司在氫能燃料電池上面投入差不多20億美元。我的實驗室在這方面已經(jīng)投入大約3億人民幣做研發(fā)，寫了一些論文，但是我還不敢有商業(yè)化的想法。