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專家王朝陽:“充電8分鐘、續航1000公裏”電動車可信嗎?

新年初始,國內多家公司宣稱將推出續航超過1000公裏的純電動 汽車 ,而中國科學院院士歐陽明高在1月16日對此表達了不認可:“如果有人說,他的電動車既能跑1000公裏,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到的。”

這碗“冷水”潑得正是時候。超長續航到底是否實用?超大容量電池+超快充能否滿足安全性要求?這些關系消費者痛點的問題需要業內沈著的剖析。

我們連線了美國國家發明家科學院院士,賓夕法尼亞州立大學機械工程、化學工程和材料科學與工程系講席教授王朝陽,請他來談談電動車電池的發展。

王朝陽研究工作集中於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)。他關於全氣候電池(ACB)技術的研究發表在《自然》雜誌上,後來被 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年發布了壹項快充技術稱,10 分鐘充電可讓電動 汽車 充滿 80%,續航 300 公裏到 400 公裏,並且經過 2500 次充放電後,電池容量只有 8.3% 的損耗。就在最近,王朝陽團隊開發了壹種熱調控磷酸鐵鋰電池(TMB),可以滿足低成本、超安全、長壽命、全氣候等多方面需求,這項成果於2021年1月18日發表在能源領域世界最頂級期刊《自然?能源》雜誌。

談到電池的熱點新聞,他壹再強調能量守恒定律。他說,“所有的新聞、所有的發布或者我們在聽到的壹些故事,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。”

為何鴨: 最近歐陽明高院士批評了超長續航和超級快充,這是工業界跟實驗室研究的錯位嗎?還是說企業有壹些誇大的成分?

王朝陽: 這在科學跟商業兩方面都有問題。

商業問題很簡單,假如說1000公裏續航的話,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,所以從商業角度肯定是沒有可行性的。

從科學角度也有很大的問題,續航裏程這麽長,電池肯定是高能量密度的,比如說6個倍率的充電,在科學上目前還不成立,至少沒有這樣的報道,沒有經過同行科學家評審過的報道。

實際上快充有壹個非常簡單的科學判決,就是3個數據要並存,缺壹不可。第壹是充電時間;第二是充電後得到了多少能量或續航裏程;第三個數據就是電池能夠循環多少次,這個也很重要。假如充電很快,得到的能量也很多,但是只充壹兩次就把電池廢了,這也不算是新技術,我們大學壹年級的同學都會做。

這三個數據缺壹不可,有了這個法則,基本上媒體或者企業發布的任何快充的消息都可以自行判斷。

能源這個行業壹定要遵守能量守恒定律,就是說充電功率乘上充電時間等於多少能量,用簡單的能量守恒定律,馬上就可以推算出他們在講什麽。

為何鴨: 公眾對壹些黑 科技 的期待值比較高,希望有壹個突破性的技術出來。

王朝陽: 大家都在期望,但所有的黑 科技 壹定是基於能量守恒定律的。這個是基本的規則。假如發現黑 科技 是永動機,他不符合能量守恒,這個技術問題就很大了。

為何鴨: 我們來看妳們剛剛發表的研究,這個低成本的電池跟2019年10月份發布的快充技術相比,根本的區別在哪?

王朝陽: 最根本的區別是,我們這項研究聚焦於壹個主題,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,碳中和是無法實現的。

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

這個方向跟國內很多車企的方向正好相反,國內都是長續航,要開發1000公裏續航的電池,150度的電池是什麽概念?按照現在三元鋰電池,比如說壹瓦是壹塊錢,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。

再加上妳拖著這麽大的壹個電池到處跑,這個很危險對吧?那是壹個大的能量包。

所以我們把以前的壹些技術都應用到新電池上面,包括傳統的磷酸鐵鋰在冬天性能非常差,我們的電池就不受環境溫度的影響,因為我們的壹定要事先預熱到60度才工作,它永遠可以給妳好的性能。

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果,包括這些車隊在東北黑河的實驗結果。

為何鴨: 請妳科普壹下全天候電池(自加熱電池)。

王朝陽: 傳統的鋰離子電池特別怕冷,溫度低的話,鋰離子在正極負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。

傳統的辦法是利用外部加熱,但耗能比較大,並且不是很直接,需要的時間很長,需要壹小時以上,所以不能滿足消費者馬上就能用的需求,並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中給它增加壹個鎳片,只有10個微米的鎳箔,鎳箔可以產生自加熱,讓電池的溫度迅速上來。盡管環境的溫度是零下,我們做到了溫升在60~200度每分鐘,而傳統的外部加熱壹般是溫升在0.5~1度每分鐘,我們這個速度提高了兩個量級。壹般只要用幾十秒時間就可以讓電池熱起來,然後正常工作。

另外,我們經過大量的實驗研究發現,這種自加熱方法消耗的能量非常小。

為何鴨: 這個辦法本質上是主動控制,不改變材料本身,安全性也沒有變化,能夠迅速讓電池達到壹個適當的充電的溫度,對吧?

王朝陽: 對。我們最早提出結構創新,傳統電池的結構就是正極、負極與隔膜,叫三部件結構。我們增加了第4個部件鎳箔,放進去以後,它可以自己儲能,自己調節溫度。

為何鴨: 提到固態電池這個概念,我看有公司已經在推這個產品了,但是有的人說他這個是半固態的電池。請妳科普壹下固態電池跟三元電池、磷酸鐵鋰電池本質的區別在哪?是液態跟固態的差別嗎?

王朝陽: 固態電池的真正意義,是把原來我們常規的磷酸鐵鋰、三元電池當中的電解液,用固體的電解質來取代。但固態電池的研發,離真正商業化應該還有很遠的距離。

妳可以從媒體報道或者從公司發布的消息當中看到,我們的研發人員和企業,基本上都還沒有想清楚到底要做什麽樣的固態電池產品。

為什麽這麽說?我可以舉幾個例子。第壹個例子,妳在媒體當中可能會經常聽說,固態電池的離子導電率太低了,固-固界面電阻太大了;同時妳又看到說固態電池可以快充。這是互相矛盾的,壹個大內阻的電池怎麽可以快充?那是不可能的。

有的人講半固態電池,意思就是說正極裏頭還有電解液,有壹半以上的危險的電解液還留在電池裏面,這能安全嗎?

為何鴨: 包括豐田在內,壹些大公司說將來要做固態電池,是因為固態電池的安全性更好?

王朝陽: 固態電池大家都要去做,認為是下壹個發展的方向。每個企業有自己的考慮,不但是科學技術發展的原因,還有企業的定位、投資的方向。但是固態電池壹定安全嗎?我們有時候想當然認為是安全的,但是妳真正好好去想的話,會發現它有很多不安全因素。

第壹,假如某公司固態電池做成150度電,這個是很大的壹個能量包,即使是固態,扛著這麽大能量包到處跑,也是不安全的。壹旦放電、也就是全部電能放出來的話,電池的溫升應該在1500度以上。

也就是,如果某個部位短路,電能壹瞬間就釋放出來的話,電池材料要達到的溫度是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,固態電池的溫度就達到了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: 我們發明的40千瓦時電池是目前所有的市場上最安全的電池。第壹,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、熱穩定相當好的壹個材料。第三,我們盡管也是石墨負極,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壹下,現在講石墨烯跟石墨負極是什麽關系?石墨烯為什麽是熱點?

王朝陽: 大部分的使用場合中,石墨烯只是壹個導電劑,增加電子導電率,所以它的用量很少,比如說1%、2%、3%,而石墨是壹個儲能材料。打個比方,這個石墨是讓妳吃飽的東西,而石墨烯只是味精,調料。

為何鴨: 對於三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的二選壹爭論,妳覺得未來應該如何選?

王朝陽: 三元電池能量密度要高壹些,但是缺點是它的安全性要差壹點,成本也高,還需要用到鈷,鈷是壹個戰略性的金屬,所以有明顯的缺點。

電芯材料的能量密度高了以後,安全性就差了,就要在電池包上做更多的安全裝置,來防止三元電池產生不安全。而在電池上加裝另外的裝置以後,它會降低整個系統的能量密度,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。而把電池做小了以後,磷酸鐵鋰就是非常好的壹個選擇,因為它有不可超越的優點,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,以後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絡,能夠沒有堵車情況下到達目的地。對飛行 汽車 ,三元電池會是壹個首選,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來做飛行 汽車 的電池,妳總不能飛5分鐘就需要補能,在空中也沒辦法實現10分鐘補能,所以我覺得這兩個技術在不同的場合都有自己的用途。

為何鴨: 提到飛行 汽車 我也很好奇,包括國內也有公司在做這方面項目,如果用燃油發動機做動力,不是壹樣嗎?

王朝陽: 我們現在的飛行 汽車 垂直升降,它是大都市使用的交通工具,對汙染、噪聲都是非常敏感的,所以用燃油現在不是壹個發展方向。

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壹個座位的空間和壹個人的重量,這樣它必須要配備比較大的電腦,然後有很多數據處理的功能,這時候需要大電池,所以即使用汽油機的話,還得配壹個大電池,這樣的話整個重量會超出純電動的做法。

燃油車轉變成智能 汽車 有壹個巨大的障礙,因為用到的壹些傳感器,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,在妳看來,氫能電池的趨勢是什麽?

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,壹是成本太高,另外壹個問題就是壽命還不夠。它需要科學上的突破,讓成本降壹個量級,然後才能談商業化,目前離普通消費者還有壹些距離。

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投入大約3億人民幣做研發,寫了壹些論文,但是我還不敢有商業化的想法。

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