精彩回顾|王朝阳院士：热调控电芯技术带来新突破

7月22日，在2022世界动力电池大会“全球先进动力电池前瞻技术突破”专题论坛上，美国国家发明家科学院院士，宾夕法尼亚州立大学讲席教授、电池与储能技术研究院院长王朝阳，作题为《热调控电芯技术》的视频演讲。

王朝阳教授认为，动力电池最大的挑战是必须要同时解决低温续航、高温安全、快充、低成本这些问题。关键词是要“同时”解决上述问题，而不是只解决某一个。安全问题需要继续强调，电动汽车事故与燃油车的事故差别巨大。在消费者眼中，只要没有燃料进入发动机，燃油车就不会自燃，而电动车恰恰相反，停在家里或者充电时恰恰会发生自燃，所以后果比燃油车严重得多，这一点是必须要解决的。

至于快充，高比能电池的快充是实现电动汽车电池包小型化的重要手段，也是降低成本和可持续发展的必经之路。要在电池当中储存一度电需要1000元，而充一度电只需要1元，这在成本上是1000倍的差距。尽量让充电时间缩小到最小的范围，利用快速便捷补能进行能量利用，因此快充永远是解决续航里程问题的首选。

在王朝阳教授看来，目前市面上看到的电池都是基于1800年发明的正极、负极加上电解液的三层结构（伏打电池）。电池制造出来，电化学反应界面就一直存在。比如在寒冷的冬天，我们希望电化学反应界面是非常活跃的，这样可输出高功率；同样的电化学界面，在炎热夏天我们希望它非常稳定。但这在物理上是不可能实现的：在冬天，电池功率会下降，也不能进行刹车的制动能量回收，光这一项，就是失去20%-25%的续航里程。碰到这样的低温问题，科学家或者材料化学家的解决办法是把高挥发性的溶剂掺在电解液当中，另外把活性材料做得更大，使正极材料能量更大。上述这些方式确实在一定程度上能解决低温问题，但同样的材料到炎热的夏天，电解液就变成高挥发性可燃电解液，活性材料容易处于热不稳定状态，很容易导致热失控，引起电池冒烟、起火甚至爆炸，最后只能召回车辆。2021年通用召回纯电动汽车损失了18亿美金，相当于某世界头部动力电池制造商三年的利润。对于这样的问题，工程师的办法是把电池封装在金属容器当中，另外也可以增加防火墙，还可以把灭火材料添加到电芯或电池包当中。但是，上述所有措施是不增加电池能量的，而只增加电池重量、体积和成本，最终致使系统能量下降，而系统单位成本上升，这个困境一直不能很好解决。

王朝阳教授表示，热调控电芯结构超越了“伏打电池”的结构：在“伏打电池“三层结构之外增加第四层镍薄，约16μm。镍薄由电池能量来驱动，起到热刺激作用，可以把本来反应活性非常低界面通过热刺激达到高活性，输出高功率，有一种“打开和关掉”电化学界面的作用。这一结构的效果非常好，响应时间非常快，每分钟可以达到100-300℃的温升，同时只消耗0.05-0.08%/℃的电池能量，能量效率非常高。有了这第四层热刺激功能的镍薄，动力电池不但可以储存电能、产生电功率，还具备了自己把反应界面给“打开和关掉”的功能。

在这个新的电芯结构上，王朝阳教授介绍了在过去实验中发明的一些新型电池：

全气候电池（ACB），已经示范于北京冬奥会，可以解决低温问题，在-30℃下同样给出常温功率，低温续航只降8%。而在最新一代的全气候电池当中，使用粘稠电解液，既解决了低温问题，又增加了高温安全性，这是在所有低温解决方案当中比较独特的创新。

十分钟充好电池（FCB），目前可以达到10分钟充电之后可以达到220Wh/kg的能量密度，快充1000次以上。其高比能快充技术为电动汽车电池包小型化提供强有力手段，可以大大降低电池成本和原材料消耗。

耐热电池（HTB），它具备本征安全，具有天然的热失控抵抗力。工作温度为60℃，储存温度最高可以达到80℃，非常安全和稳定。因为在高温环境下工作，所以电池系统非常简单，没有热管理，采用全固态CTP集成，意味着无液、无泵、无泄露。

比较成熟的电池技术能达到电动汽车要求800次循环以上，以钛酸锂LTO为例，它充电很快，但是能量密度偏低，所以不适合于乘用车和电动汽车的使用，而锂金属固体电池则需要好几个小时的充电。

王朝阳教授将动力电池快充范畴定义为：充电时间15分钟以下，充电之后能量密度达到200Wh/kg，寿命达到1000次以上。现有的石墨负极材料经过热调控技术改良后可以进入这个范畴。其他的一些还在研发当中，或相对比较不成熟的技术，比如硅负极，其最大挑战是热力寿命还达不到电动汽车的要求。现阶段讨论硅负极电池快充性能还为时过早，锂金属也是一样的道理。

耐热电池的设计工作温度是60℃，在环境温度下处于“冬眠”状态，通过热刺激方法做成内部状况可变的电池，该电池是2018年发明的，在2019年1月份在国内首次发布。当时行业内许多人认为适合25℃工作的电池里面含有大量挥发性溶剂，放在60℃的工作温度下时，很容易发生爆炸的风险，担心安全问题。王朝阳教授在过去几年中一直坚持发文推广耐热电池技术，他认为耐热电池是未来电池热管理和电池安全的方向。

王朝阳教授认为：如果将设计温度25℃的锂电池电芯，放在气温40℃以上的环境中，要么要把它放到制冷箱当中，要么要把它改成耐热电池，否则它无法正常工作。以2022年7月14日的欧洲为例，最低温度仅大于25℃，最高温度则达到60℃，大部分地区气温处于是40-60℃。这种气温环境下，电动汽车动力电池设计在25℃是无法生存的。而这种炎热气候才刚刚开始，未来还会持续，因此发展耐热电池的必要性、紧迫性是显而易见的。

耐热电池更安全，使用寿命更长，因为在耐热电池当中所用的都是极其稳定的材料，即便是电解液也只能采用非常粘稠的，不用挥发性溶剂，尽量用单晶和低比表面积的活性材料，并钝化电化学界面，有了稳定的材料和界面的保障，耐热电池才能非常安全。

至于电池包集成，王朝阳教授表示，现在比较流行的电池液冷——在电芯之间窄小缝隙里充满液体的液冷方式可能会有巨大的安全风险。因为电芯老化的过程是不断膨胀的，会不断挤压这些微小的液冷管道，而采用更先进材料（硅负极、锂金属负极）作为电芯会在巨大的压力下，挤压液体管道，从而引发冷却液泄露的风险。王朝阳教授认为，下一代的CTP集成应该是不需要液冷，电芯工作在较高的温度中，完全可以使用汽车行驶过程中自然吸进的环境空气来冷却，在电芯之间不需要留有冷却管道，全固态CTP集成后可保证电池系统紧凑性和安全性。

最后，王朝阳教授将热调控电芯结构对电动汽车产业未来的影响总结为以下几点：