10月18日—19日，2021第九屆汽車與環(huán)境論壇&第13屆全球汽車產(chǎn)業(yè)峰會隆重召開。本次論壇主要圍繞中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展、動力總成電氣化、ADAS與自動駕駛、芯片與汽車基礎(chǔ)軟件、智能座艙等行業(yè)熱點(diǎn)話題展開，旨在共同探討新形勢下中國汽車產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展的新思路。下面是美國國家發(fā)明家科學(xué)院院士、美國賓夕法尼亞州立大學(xué)講席教授王朝陽在此次論壇上就《動力電池的多元時代：2021-2030 》為題的演講實(shí)錄。

大家上午好，首先感謝論壇的邀請，讓我有機(jī)會在這里跟大家分享動力電池在當(dāng)前的十年如何進(jìn)入多元化的時代。

 

大家都知道電池存在于我們生活的每個角落，從3C數(shù)碼到電動汽車再到航空航天，電池是所不在，而且電池技術(shù)往往決定新產(chǎn)業(yè)的崛起。比如說如果沒有鋰離子電池就不會有今天的智能手機(jī)，更談不上5G通訊等，也不會有當(dāng)前新能源汽車的革命，所以電池目前需要的量非常地大，像電動汽車從現(xiàn)在滲透率大概全球平均5%要增加到50%（在十年當(dāng)中）。

 

另外，我們都知道面臨氣候變化危機(jī)，需要大力發(fā)展可再生能源，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)，像太陽能，風(fēng)能都是屬于間歇性能源，只有通過儲能才有使用價值，所以電池的儲能技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)和能源革命的關(guān)鍵核心技術(shù)。

 

動力電池和儲能電池的應(yīng)用之大，對于我們生活的影響之深，也決定了它面臨多維度的重大挑戰(zhàn)，它需要豐富大量、成本低廉的原材料，而且還要具有極高的安全性，實(shí)現(xiàn)高能量密度，高功率，可快充，長壽命，無論是炎熱地帶、寒冷地區(qū)，電池都必須在全溫域保持良好的性能和壽命，所以一句話“電池太難了”。

 

那么這個巨大的使用量和原材料的供應(yīng)量就決定了我們這個年代必須要進(jìn)入多元化時代，其中包括我們熟悉的三元電池、磷酸鐵鋰電池、納離子電池，我們來看看這些主流電池在當(dāng)前十年當(dāng)中會有什么樣的發(fā)展？

 

三元電池最大優(yōu)點(diǎn)是能量密度高、續(xù)航里程長，但是也有非常致命的缺陷：第一，三元電池含有鈷跟鎳的戰(zhàn)略性金屬，不可持續(xù)。第二，安全性差。最近通用和LG整車召回經(jīng)濟(jì)損失就是18億美金，這對行業(yè)來講是相當(dāng)大的警醒，特別對于國內(nèi)要出海的企業(yè)，對電池安全性要有200%的把握，否則的話經(jīng)濟(jì)損失就可能讓一個企業(yè)倒下去。第三，充電速率不夠高，最好水平大概是1小時，實(shí)際上比這個還要長一點(diǎn)，我聽說在剛剛過去的國慶期間有這么一個說法，8小時車程，電動汽車用了16個小時，所以這個充電速度是需要大幅度完善的。第四，成本居高不下。

 

為克服這些缺點(diǎn)，目前我們主要是在開發(fā)一些新的技術(shù)，首當(dāng)其沖的第一個技術(shù)就是解決安全問題，中文叫做碩安電池，就是既大比能又高安全，它的設(shè)計原理是非常獨(dú)特，跟常規(guī)的想法是完全相反的，它是以鈍化電池來提高安全性，所以使用碩安電池，把車停在車庫里，那個電池是相當(dāng)?shù)陌踩�，因�(yàn)榫褪亲屗�處�?ldquo;冬眠”的狀態(tài)，使用的時候利用迅速自加熱把高功率輸出來。這種新型電池已在無數(shù)化學(xué)體系和電池形狀（無論軟包、硬殼）試用過，效果非常好。

 

我這里舉一個比較極端的例子，我拿290瓦時每公斤的能量電池使用最不穩(wěn)定的三元811材料，經(jīng)過鈍化之后，我去做針刺實(shí)驗(yàn)會發(fā)現(xiàn)最高溫度也不會超過55度，從左圖可以看到，紅線最高溫度不超過50度，還不足夠煎熟雞蛋。假如不是鈍化的，同樣的電池針刺就會升高到1000度左右，起火爆炸那是必然的結(jié)果。

 

碩安電池通過鈍化可以把極高密度的三元電池做的比磷酸鐵鋰電池還安全。那碩安電池原理是怎么樣的？我用內(nèi)燃機(jī)同行的語言來稍微解釋一下，假如說把常規(guī)的電池拿來測量它的化學(xué)活性，把它無量綱化變成1，也就是說常規(guī)的反應(yīng)活性。假如用示意圖來畫，把這個電池打開會發(fā)現(xiàn)有負(fù)極和正極，當(dāng)中有電解液隔開，電解液跟負(fù)極，還有電解液跟正極之間形成了反應(yīng)界面，活性是1就相當(dāng)于是100%的反應(yīng)界面是打開的或者我們可以把它說成是內(nèi)燃機(jī)油門嘴，它是正常打開的范圍。那電池有一個最大的弊病，就是說無論在高速公路上開還是把車停在自己家車庫里，它的油門嘴永遠(yuǎn)是開著的，這個反應(yīng)界面永遠(yuǎn)是存在的，永遠(yuǎn)在活躍地工作，即使把車停在車庫里，所以我們經(jīng)�？吹杰囃Ｔ谀抢飼�自燃，就是這個道理，相對可怕的事情。

 

現(xiàn)在鈍化電池只要添加很少量的磷酸三烯丙酯可以降低反應(yīng)活性4倍，就是說鈍化掉的電池反應(yīng)界面被關(guān)掉3/4，只剩1/4，這樣的電池停在車庫里是永遠(yuǎn)不會自燃，開車之前這么小的油門嘴當(dāng)然不行的，因?yàn)闆]有大功率，所以我們會進(jìn)行迅速的自加熱。加熱從常溫加熱到40度，等于把這個油門嘴從1/4的開路變成正常的油門嘴，就可以正常開車。假如說還想要更大功率的話，還可以把自加熱到60度，這個時候油門嘴變成3倍那么大，自然功率是非常非常地大，這就是用熱調(diào)控的方法控制油門嘴的大小，從而在不用電池的時候讓它很安全，用它的時候讓它輸出高功率。而且自加熱非�？�，從常溫到40度大概只要10-15秒時間，而加熱到60度大約只用30秒的時間，這樣就解決了安全和高功率需要兼顧的問題。

 

第二個技術(shù)是快充（10分鐘快充），這個非常有必要，全世界車企都在追求這方面的技術(shù)。10分鐘快充同樣也可以用熱調(diào)控的原理來達(dá)到。我可以使用正常油門嘴開車，一旦電池來到大功率快充樁之前，無論是250千瓦，還是260千瓦，我們來個30秒熱刺激，就可以把油門嘴提高3倍以上，這個時候我讓大電流進(jìn)來的時候就不會產(chǎn)生鋰離子溢出的現(xiàn)象，大電流進(jìn)來實(shí)際上就是大流量的鋰離子要進(jìn)來，那我的瓶頸假如放的很大就不會有鋰離子溢出的現(xiàn)象，在電化學(xué)上面講鋰離子溢出就是指在石墨表面上析理，這個是不可逆的，會減少壽命和降低容量。假如說把油門嘴打開，在快充10分鐘把它暫時打開，讓大電流進(jìn)來不會產(chǎn)生析理，充完之后電池溫度自然在5分鐘之內(nèi)回到常溫狀況或者40度以下正常工作，用這個方法就可以達(dá)到10分鐘快充的結(jié)果，目前我們最好的水平是10分鐘充電之后可以獲得200瓦時/公斤能量或者480公里，這樣的充電循環(huán)可以達(dá)到2500次以上，對壽命是沒有影響的，所以這個快充技術(shù)對電動汽車將是有巨大的意義。

 

第三個技術(shù)是讓電池包小型化，這跟把發(fā)動機(jī)小型化是一樣的道理。也就是說，一旦有10分鐘快速便捷的補(bǔ)能方法，我們就可以把車載電池從現(xiàn)在的80度電減少到40度電，即使充完電每車?yán)m(xù)航里程只有250-300公里，但是300公里用完之后，10分鐘充好電，非常方便，所以就不存在里程焦慮了，最終的結(jié)果就是讓我們的消費(fèi)者享受到了40度電的電池包，也就是說它的成本降低了一半，對社會來講原材料消耗減少了一半，所以電池包的小型化就跟發(fā)動機(jī)小型化一樣，是有巨大的未來發(fā)展的趨勢。

 

總結(jié)一下三元電池未來的趨勢：第一，巨大的電池包，特別是長續(xù)航的電動汽車會讓位給安全的考量，目前安全是第一位的。第二，對高能量密度的追求也會變成對高安全性的追求。第三，目前最關(guān)鍵的，最需要的是不起火，安全的電池。我們以前認(rèn)為安全是必須的，但是安全沒有辦法用成本來衡量，但是現(xiàn)在安全是完全可以用效益來衡量，所以這個變成非常非常重要的方向。

 

磷酸鐵鋰電池也是主流，今年已經(jīng)有很大的恢復(fù)，估計下面十年會有相當(dāng)強(qiáng)勁的恢復(fù)，主要是它的原材料大量豐富，公園里都可以隨便撿撿磷酸鐵鋰，安全性非常非常好，成本是非常低，但它的缺點(diǎn)是能量密度稍微低了一點(diǎn)，低溫性能相當(dāng)差，像冬天電動汽車趴窩多數(shù)是磷酸鐵鋰電池，又不能10分鐘快充。解決這些痛點(diǎn)，我們也有一些新的技術(shù)，比如說熱調(diào)控磷酸鐵鋰技術(shù)TM-LFP，這就解決了磷酸鐵鋰三大問題：

 

首先是低溫問題，因?yàn)橛袩岽碳すδ�，所以就不再依賴于磷酸鐵鋰材料本身的低溫特性了，在冬天可以讓電池在30秒之內(nèi)升溫到零度以上，所以這對材料就沒有要求。

 

其次，可以實(shí)現(xiàn)10分鐘快充，這個意義也是相當(dāng)巨大。因?yàn)槟阌辛?0分鐘快速便捷的補(bǔ)能就可以讓磷酸鐵鋰完全避開了能量密度比較低的缺陷，里程焦慮不再是問題了，你開了250-300公里以后去充電10分鐘就完了。

 

第三，我們?nèi)〈�磷酸鐵鋰電池當(dāng)中現(xiàn)有易燃的電解液，可以用非燃的電解液。

 

在最新的研究當(dāng)中，我們又研發(fā)出第二代熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池叫TM-LFP 2.0，在實(shí)驗(yàn)時室可以做到能量密度達(dá)到300瓦時/公斤和成本3毛5每瓦時，再加上第一代其他優(yōu)勢，比如說10分鐘快充，不怕冷，不含鈷金屬，而且不需要液冷，沒有泄露的問題，2.0幾乎接近于終極電池，可以滿足絕大部分的應(yīng)用需求。

 

未來磷酸鐵鋰會變成越來越強(qiáng)勁，是非常重要的主流電池，TM-LFP第一代已完全可用于大眾市場的電動汽車和大規(guī)模的儲能。第二代可以更延伸到其他應(yīng)用，包括飛行汽車。我們現(xiàn)在把第二代使用到空中去，你可以想象它的能量密度已經(jīng)相當(dāng)可以了。

 

再簡單講一下鈉離子電池，它的所有屬性跟磷酸鐵鋰電池非常相象，都是差不多的層次，比較難區(qū)別。唯一可以區(qū)別的優(yōu)點(diǎn)，可以講納的儲存量要比鋰多，是鋰離子電池的代用品。目前最大的劣勢還是在研發(fā)當(dāng)中，沒有生產(chǎn)規(guī)模，缺乏供應(yīng)鏈。我個人認(rèn)為，未來的趨勢鈉離子電池會是磷酸鐵鋰的一個備胎，它會是動力電池多元化比較重要的元素，為了保證供應(yīng)鏈的安全，我們必須堅(jiān)持對納離子電池的研發(fā)，特別是國家機(jī)構(gòu)、國企、大學(xué)等等要保持這個研發(fā)，因?yàn)閭涮ビ幸惶煲苍S會用上。

 

最后我用電池可持續(xù)性這個話題來做一個總結(jié)�？沙掷m(xù)性就是三個R字：REDUCE，REUSE，RECYCLE。REDUCE就是節(jié)約/節(jié)能，反對鋪張浪費(fèi)，大吃大喝，這是我們?nèi)祟惐ＷC電池可持續(xù)性最大的依賴。我們平時在周圍會發(fā)現(xiàn)有些鋪張浪費(fèi)的做法，我這里給兩個例子。第一個1000公里長續(xù)航車，它需要150度電，這就是相當(dāng)?shù)睦速M(fèi)。150度電的電池包本來可以用于三輛車，現(xiàn)在用在一輛車上。換電模式也是很大的浪費(fèi)，假設(shè)今天換電模式在商業(yè)上成立，假設(shè)在上海市中心有一個補(bǔ)能站用換電模式，我們可以假設(shè)一天換100套電池包，我就必須要在過夜之前準(zhǔn)備好100套電池包，這100套電池包每套成本假如說是10萬塊錢，那就是1000萬成本，所以換電站成本非常非常高，而且還需要很大的空間，在上海市中心一個補(bǔ)能站需要放下100套電池包，這個有點(diǎn)不太可以想像。另外從社會角度來講，我們不但要為每一輛車子上提供電池包，還要在換電站備上很多電池包，這個對原材料的消耗就更大了。

 

實(shí)施節(jié)能節(jié)約之后就要想多元化，大眾市場的電動車可能絕大多數(shù)使用磷酸鐵鋰，畢竟它的原材料供應(yīng)是巨大的。一些高端的應(yīng)用，比如說電動飛機(jī)或者無人機(jī)可能要用到一些三元電池，鈉離子電池還是要作為儲備（備胎）。

 

RESUSE就是重新使用電池，我們都聽說過電池壽命發(fā)展得越來越長，甚至有200萬公里的電池壽命，這種情況下必然要有二次利用、梯次利用，對可持續(xù)性作出貢獻(xiàn)。

 

最后是回收，我們要有低能耗的回收技術(shù)，低成本，低能耗，最好是碳中和或者零碳排放的回收技術(shù)。假如說回收的能耗比開礦原材料能耗還大的話，那也不是一個辦法。在回收方面三元電池回收會更有價值一點(diǎn)。

 

好，我就在這里停住，再次感謝大家，希望在不久的將來我們有面對面交流的機(jī)會，謝謝。