华人科学家为电池装上“温控开关”,新型钝化电池将彻底告别自燃 | 独家专访

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华人科学家为电池装上“温控开关”,新型钝化电池将彻底告别自燃 | 独家专访
麻省理工科技评论 2020-02-29

2020-02-29

让锂电池的安全性与高活性兼得之,或可解决电车的“自燃”问题。
新能源 科学 电池
让锂电池的安全性与高活性兼得之,或可解决电车的“自燃”问题。

特斯拉、蔚来、比亚迪等诸多品牌的电动汽车在近两年的自燃事件“你方唱罢我登场”,接二连三的事故让新能源汽车的安全问题成为社会关注的焦点。而在近日,保时捷也加入到电车“自燃大军”之中,其在美国首批交付的 130 辆 Taycan 电动车中的一辆在车库中自燃,被烧得只剩下骨架,甚至连车库也没能幸免,被烧得面目全非,损失惨重。

随着人们对电子产品性能要求的不断提高,比如手机游戏越发大型、精致,视频直播、拍照修图的需求也越来越多,我们一方面要求电池可以提供更高的能量密度,延长续航时间;另一方面还要求能够快速地充电,以便适应快节奏生活。

但三星 Galaxy Note 7 手机的“爆炸门”和其他手机在充电时发生危险的新闻,以及电动汽车的不断起火事故,种种情况都指向了一个核心问题:在追求更高能量密度和充电效率的电池时,人们往往会忽视最根本的电池安全问题。虽然电动车自燃起火的原因很多很复杂,但总体来讲,主要还是电池的问题。尤其 Taycan 电车宣传的目前量产纯电动车中充电速率最快的 800V 快充技术,充电 5 分钟可达 100 km 续航,或许在安全性上验证了“欲速则不达”这句话。

华人科学家为电池装上“温控开关”,新型钝化电池将彻底告别自燃

图 | 保时捷 Taycan 和被烧毁的样子(来源:YouTube)

电池的反应活性和稳定性,对于研究人员来说就像鱼和熊掌一般,二者不可得兼。锂离子电池如今广泛应用于电动汽车、消费电子设备和固定能源存储系统中。追求高安全性和高能量密度,是其发展进程中的一个永恒主题。而要让电池达到更高的能量密度和充电速度,唯有提高化学反应活性一途,如此一来,稳定性自然就会受到影响,进而可能带来潜在的安全隐患,这成为了一个“悖论”。

如今,美国宾夕法尼亚州立大学终身教授王朝阳院士,带领研究团队克服了电池材料反应活性与稳定性之间的矛盾,研制出一种安全性能得到数倍提升的新型电池——SEB(Safe and Energy-dense Battery)。王朝阳表示,研究团队将其称为“硕安”电池,意指其大能量,又高安全。该成果在 2020 年 2 月 28 日发表于国际顶级期刊、《科学》的子刊《Science Advances》上。

在锂电池行业,流行着一句话:“作为能量载体,本质安全的电池是没有的。”但是,王朝阳团队的这项研究能够大幅度提高电池的安全性,或将彻底解决电动汽车的自燃问题。

华人科学家为电池装上“温控开关”,新型钝化电池将彻底告别自燃

图 | 上海特斯拉自燃事故(来源:网络)

以退为进,安全与性能兼得之

通常情况下,电池的性能、安全性与使用寿命均取决于阳极和阴极各自与电解质界面之间的电化学反应活性。常见的锂电池研究思路基本是,用更活泼的材料来替代原有材料,比如三元锂电池中用 NCM(镍、钴、锰)替换 LFP(磷酸铁),或者是用 NCM 811 替换 NCM 622/523 等。

但问题就来了,拥有高活性的电极/电解质材料,会导致安全性下降。所以追求高性能、快充电速度的研究在安全性上势必会做出一定牺牲。此外,这种高活性材料即便在电池不被使用时也会逐渐退化,从而降低使用寿命。

而王朝阳的研究思路则另辟蹊径,他“以退为进”,先将活性材料钝化,提高电池的安全性能;然后,再给电池加上一个“控制工作的开关”,让电池只有在工作时才会以最佳状态呈现(在使用前瞬间加热到 60℃ 来保障高功率运作),其余时间则处于“冬眠”状态。这样一来,既可以保证电池的安全性,又可以延长电池的使用寿命。

研究人员首先通过使用高稳定性的材料,并创建了更稳定的电极/电解质界面(EEI),设计出一种拥有更高的电荷转移电阻(Rct)和直流电阻(DCR)的新型钝化电池。“经过钝化的电池内阻是原有材料体系内阻的 5~10 倍,针剌最高温度从 1000℃ 降到 100℃ 以下。这相当于让电池在常温环境下进入‘冬眠状态’,抑制了材料活性,提升电池安全性。”王朝阳解释说。

此外,高稳定性的钝化电池可以使用最高比容量的活性材料和超厚电池,进一步保障了电芯的最高比能。

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图 | SEB 电池(来源:王朝阳)

而在增大了电池内阻之后,如何让电池仍然能正常使用?王朝阳表示:“我们用热刺激的办法可快速调节电池的电化学动力特征,使其输入高功率。”研究人员在钝化电池中加入一种自加热结构,以每秒 1~5 ℃的速度使电池均匀升温,只需 10~20 秒便可将电池加热到 60 ℃,而在该温度下电池就会以高功率正常使用。

“SEB 电池的性能与环境温度或天气无关,因为它可以在几秒钟内被加热,并在恒定的高温下工作。虽然将电池加热到较高的温度会消耗电池能量,但经过实验验证,结果与直觉正相反,电池的总输出能量并没有减少。”王朝阳说,“除此之外,拿电动汽车为例,绝大部分时间车是停着的,电池没有被使用。那该新型钝化电池在常温条件下容量衰减也变得更为缓慢,经过充放电循环测试,SEB 电池的使用寿命也远超当下的同类电池。”

目前,这款新型钝化电池在 60 ℃ 环境下完成了 4000 多次的循环寿命检验,相当于 160 万公里寿命(假设每次充满电的行驶里程是400 公里)。而这也打破了当下锂电池的寿命纪录,将为长时间作业的车辆,比如出租车、物流货车、皮卡、大巴等提供更长寿命的保证。

“我们的百万公里长寿命电池比特斯拉的研究要更为领先,因为我们的新型钝化电池是在 60 ℃ 的高温条件下做到的,而特斯拉是在常温做到的。”王朝阳说道。

贴近产业,可快速商业化

对于电池的未来发展,固态电池作为被诺奖得主“足够好”老爷子(John B. Goodenough)“钦点”的方向,受到了科学界与产业界的极大关注,也有众多学者、公司投入到相关的科学研究中。王朝阳表示:“2025 年也许会有固态电池的样本;而可大规模生产的固态电池,预计在 2030 年才会出现。在中间这十年里,也会存在很多潜在创新。未来的固态电池同样可以使用该设计来提高电池的活性。”

“我们的研究目标就是要能够商业化。”王朝阳说。和其他高校的实验室不完全相同,王朝阳所在机构本身拥有研发与应用结合非常成熟的系统。宾州州立大学专门设有电化学发动机中心和电池与储能技术研究院,拥有全球领先的科研团队,专长电池科学的基础研究。王朝阳是该研究院的院长。同时,他的团队还孵化出 EC Power 公司,专门从事新产品的开发和为新技术的商业化服务。

王朝阳称,“我们在注重未来电池科学的基础研究的同时,也着眼于如何颠覆当下使用的电池的性能与安全性,因为这是和新能源汽车等产业发展息息相关的,是会直接影响到人们需求的。”

这款新型钝化电池的关键所在——“温控开关”,源于王朝阳团队在 2016 年发于《自然》期刊的全气候电池发明。当时,为了解决电池在寒冷气候和高海拔地区的功率锐减等使用问题,他们发明了一种插入到传统电池结构中的金属箔结构。该技术可以对电池进行均匀的内部加热,并为电极和电解质提供快速热传递;这个自热功能是通过关闭激活端子和负极端子之间的开关来控制的。

华人科学家为电池装上“温控开关”,新型钝化电池将彻底告别自燃

图 | 在三个基本的电池组件:阳极(Anode)、阴极(Cathode)和电解质(Elecetrolyte)之外,添加了第四个组件——镍箔(Metalfoil)(来源:Nature)

王朝阳表示,这正验证了他们的开发思路——不断地推进研发,将阶段性成果投入到规模化应用测试;再进一步深化研究,对其优化创新。目前全天候电池技术已被北汽、广汽集团,以及宝马公司等采用,以便让电动汽车不再受温度或者环境所限。王朝阳介绍说,“这项工作是与中国工程院院士孙逢春团队共同合作的,是2022 年冬奥会上新能源汽车的指定保障技术。”

此外,给电池自加热的镍箔片厚度目前已经降至微米级,体积和重量给原电池结构带来的变化不会超过 1%。据估算,成本也只有原材料成本的 0.4%左右。“而且,该自加热结构对电池来说是平台级别的技术。”王朝阳补充道,“除了目前液体电池之外,未来固态电池同样需要该设计来提高电池的反应活性。”

在 2019 年 10 月,王朝阳的团队还曾研究出 60 ℃ 下的锂电快充技术,真正意义上做到10分钟内充满电动汽车 80% 的电量,续航可达 300 公里至 400 公里,并且在经过 2500 次充放电后,容量只有 8.3% 的损耗。作为对比,特斯拉的 Model S 目前快充效率为 40 分钟充电 80%。而这种热刺激技术,属于主动控制,没有改变材料本身特性,所以不会影响安全性能。

王朝阳对 DeepTech 表示:“目前的研究方向之一,就是将快充技术与新型的钝化电池结合,这样就会更大程度地提高电池能力和性价比。我研究锂电池的时间已经 25 多年,期间一直坚信研究出的方法越简单,技术就越成熟,实用价值越高。”

此外,他还表示中国是未来新能源汽车的最大市场,他希望能够借助此前的成功案例,之后可以定期将一些新的实用的技术引入到中国,让有意愿的机构实现商业化落地,推动新能源汽车等行业的更好发展。

王朝阳简介

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图 | 王朝阳教授(来源:本人)

王朝阳是美国国家发明家科学院院士,宾夕法尼亚州立大学机械工程讲席教授,化学工程、材料科学与工程杰出教授,宾州大电化学发动机中心和电池与储能技术研究院主任,eTransportation 的编委。

他在锂离子电池和燃料电池方面发表过 220 多篇期刊论文,被引量超过 3 万次,H 指数为 98,是汤森路透评选的“工程学高被引科学家”之一。他拥有 80多项专利、两本专著。其关于全气候电池(ACB)的研究发表在《自然》杂志上,并且被 2022 年北京冬奥会及全球数家汽车制造商所采用。他发明的“速热快充电池”(FCB)技术发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)和 Joule 上,受到世界各大主流媒体的关注和报道。

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