鉅大LARGE | 點擊量：663次 | 2022年06月28日
華人科學家為電池裝上"溫控開關"，新型電池或將告別自燃
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。
隨著人們對電子產品性能要求的不斷提高，比如手機游戲越發大型、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更高的能量密度，延長續航時間；另一方面還要求能夠快速地充電，以便適應快節奏生活。
但三星GalaxyNote7手機的"爆炸門"和其他手機在充電時發生危險的新聞，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純電動汽車中充電速率最快的800V快充技術，充電5分鐘可達100km續航，或許在安全性上驗證了"欲速則不達"這句話。
電池的反應活性和穩定性，有關研究人員來說就像魚和熊掌一般，二者不可得兼。鋰電池如今廣泛應用于電動汽車、消費電子設備和固定能源存儲系統中。追求高安全性和高能量密度，是其發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，唯有提高化學反應活性一途，如此一來，穩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終身教授王朝陽院士，帶領研究團隊克服了電池材料反應活性和穩定性之間的矛盾，研制出一種安全性能得到數倍提升的新型電池——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年二月二十八日發表于國際優秀期刊、《科學》的子刊《ScienceAdvances》上。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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，流行著一句話："作為能量載體，本質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，或將徹底解決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界面之間的電化學反應活性。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/電解質材料，會導致安全性下降。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"，讓電池只有在工作時才會以最佳狀態呈現（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。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定性的材料，并創建了更穩定的電極/電解質界面（EEI），設計出一種擁有更高的電荷轉移電阻（Rct）和直流電阻（DCR）的新型鈍化電池。"經過鈍化的電池內阻是原有材料體系內阻的5~10倍，針剌最高溫度從1000℃降到100℃以下。這相當于讓電池在常溫環境下進入‘冬眠狀態’，抑制了材料活性，提升電池安全性。"王朝陽解釋說。
此外，高穩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節電池的電化學動力特點，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構，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電池的性能和環境溫度或天氣無關，因為它可以在幾秒鐘內被加熱，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，但經過實驗驗證，結果和直覺正相反，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，經過充放電循環測試，SEB電池的使用壽命也遠超當下的同類電池。"
目前，這款新型鈍化電池在60℃環境下完成了4000多次的循環壽命檢驗，相當于160萬公里壽命（假設每次充滿電的行駛里程是400公里）。而這也打破了當下鋰電池的壽命紀錄，將為長時間作業的車輛，比如出租車、物流貨車、皮卡、大巴等供應更長壽命的保證。
"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。
貼近產業，可快速商業化
有關電池的未來發展，固態電池作為被諾獎得主"足夠好"老爺子（JohnB.Goodenough）"欽點"的方向，受到了科學界和產業界的極大關注，也有眾多學者、公司投入到相關的科學研究中。王朝陽表示："2025年也許會有固態電池的樣本；而可大規模生產的固態電池，預計在2030年才會出現。在中間這十年里，也會存在很多潛在創新。未來的固態電池同樣可以使用該設計來提高電池的活性。"
"我們的研究目標就是要能夠商業化。"王朝陽說。和其他高校的實驗室不完全相同，王朝陽所在機構本身擁有研發和應用結合非常成熟的系統。賓州州立大學專門設有電化學發動機中心和電池和儲能技術研究院，擁有全球領先的科研團隊，專長電池科學的基礎研究。王朝陽是該研究院的院長。同時，他的團隊還孵化出ECPower公司，專門從事新產品的開發和為新技術的商業化服務。
王朝陽稱，"我們在重視未來電池科學的基礎研究的同時，也著眼于如何顛覆當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業發展息息相關的，是會直接影響到人們需求的。"
這款新型鈍化電池的關鍵所在——"溫控開關"，源于王朝陽團隊在2016年發于《自然》期刊的全氣候電池發明。當時，為了解決電池在寒冷氣候和高海拔地區的功率銳減等使用問題，他們發明了一種插入到傳統電池結構中的金屬箔結構。該技術可以對電池進行均勻的內部加熱，并為電極和電解質供應快速熱傳遞；這個自熱功能是通過關閉激活端子和負極端子之間的開關來控制的。
圖|在三個基本的電池組件：陽極（Anode）、陰極（Cathode）和電解質（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思路——不斷地推進研發，將階段性成果投入到規模化應用測試；再進一步深化研究，對其優化創新。目前全天候電池技術已被北汽、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。"
此外，給電池自加熱的鎳箔片厚度目前已經降至微米級，體積和重量給原電池結構帶來的變化不會超過1%。據估算，成本也只有原材料成本的0.4%左右。"而且，該自加熱結構對電池來說是平臺級別的技術。"王朝陽補充道，"除了目前液體電池之外，未來固態電池同樣要該設計來提高電池的反應活性。"
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，真正意義上做到10分鐘內充滿電動汽車80%的電量，續航可達300公里至400公里，并且在經過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，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，就是將快充技術和新型的鈍化電池結合，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25多年，期間一直堅信研究出的方法越簡單，技術就越成熟，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引入到我國，讓有意愿的機構實現商業化落地，推動新能源汽車等行業的更好發展。
王朝陽簡介
圖|王朝陽教授（來源：本人）
王朝陽是美國國家發明家科學院院士，賓夕法尼亞州立大學機械工程講席教授，化學工程、材料科學和工程杰出教授，賓州大電化學發動機中心和電池和儲能技術研究院主任，eTransportation的編委。
他在鋰電池和燃料動力鋰電池方面發表過220多篇期刊論文，被引量超過3萬次，H指數為98，是湯森路透評選的"工程學高被引科學家"之一。他擁有80多項專利、兩本專著。其有關全氣候電池（ACB）的研究發表在《自然》雜志上，并且被2022年北京冬奧會及全球數家汽車制造商所采用。他發明的"速熱快充電池"（FCB）技術發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）和Joule上，受到世界各大主流媒體的關注和報道。
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