2021年11月06日 15:00
【科學快訊】
直播：2021騰訊科學WE大會：跟「天字號」科學家一起洞察天機
全球氣溫升高、冰川融化、海平面上升……二氧化碳過度排放引發的系列氣候和環境問題，讓我們賴以生存的家園面臨嚴峻挑戰，並將嚴重威脅人類健康。據 Nature Communications 今年發表的一項最新研究，到本世紀末，預計每年將有460萬人死於氣候變化。<1>
人類活動導致的碳排放主要來源於化石燃料消費。因此，人們迫切地需要開發和應用更加高效、清潔的能源生產方式，以解決傳統化石能源帶來的儲量與汙染問題，並盡早實現碳中和目標。
隨著技術發展和環保意識的提升，越來越多的綠色能源產品進入到我們的日常生活中，常見的綠色能源有風能、潮汐能、太陽能、地熱能等等。但這些新能源通常具有間歇性發電的特點，難以直接並網供人們使用，因此需要開發大規模的高效儲能裝置。
目前常見的二次儲能電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等。其中，鋰離子電池以其高工作電壓、快速充放電特性、長循環壽命、無記憶效應等眾多優點，成為當今性能最為出眾的二次電池。鋰離子電池因便攜式數碼產品及電動汽車的大規模應用，受到國家和企業的大力推廣，發展迅速。
然而鋰離子電池汽車的續航和充電問題卻讓許多人在購車前猶豫不決，限制了電動車的大規模普及。現在很多純電動汽車所標注的續航里程都是「60等速」，是在以60邁的速度下測量出來的續航里程，與實際續航里程相差甚遠。實際開車中，開空調續航打七折，冬天開車再打對折，宣稱續航600公里左右的電動車，冬天通常只能跑300多公里。
在冬天，低溫會讓電動車的電池容量下降——鋰離子電池儲存與釋放電能主要靠鋰離子，當溫度降低時，離子不愛動彈，遷移擴散能力降低，這就導致電池內阻增大。此外，當溫度降到一定程度，電池內部電解液的黏度會像蜂蜜一樣增大甚至凝固，使電池無法正常工作。
為了不讓電動汽車在冬天「趴窩」，材料科學家和電池工程師在電池材料上提出了許多辦法。例如在電解液當中摻入大量有機溶劑（如碳酸乙烯酯EC和其它低熔點有機溶劑混合形成二元、三元甚至四元體系的共混溶液等），這樣可以大大降低電解液的凝固溫度。<3>然而這樣卻造成電解液更加易燃，犧牲了電池的安全性。或者為鋰離子電池配備加熱裝置，如空氣預熱、液體預熱、電熱器預熱等方式，但其通常需要較高的空間需求以及較長的加熱時間。<4>
如何讓鋰電池具有良好的低溫性能，同時又安全性高、成本低、充電速度快，是該領域內一個高難度的挑戰。
就在這個時代，告別電量焦慮
2022年，北京將要舉辦第24屆冬季奧林匹運動會。北京冬天這麼冷，如何保障電動車在低溫下依然能夠堅持長時間的工作？北京科技冬奧新能源汽車專家組專家，世界新能源汽車大會科技委員王朝陽院士提出，為參加北京冬奧會的電動汽車都裝上抗凍的「心臟」。
王朝陽院士帶領團隊曆經數年研究，發明了多類新型電池，如全氣候電池（ACB）<5>、10分鐘快充電池（FCB）<6>、碩安電池（SEB）<7>、常溫全固態電池等。其中，全氣候電池正是冬奧會電動汽車的抗凍「心臟」，該技術入選2022年度汽車十大技術趨勢之一。
它的原理說來有些「劍走偏鋒」：在極低溫環境下，讓電池利用僅剩的一點點能量，給自身加熱。為了讓電池能夠在快充前迅速加熱到指定溫度，王朝陽團隊在電池內部插入50 μm厚度的鎳箔，一端連接到負極，另一端延伸到電池外部以形成第三端。
這個工作過程相當於電池內部快速短路，當溫度較低時，系統控制連接正極和加熱極耳間的加熱控制開關閉合，電流通過鎳箔產生可控內短路。由於有電流通過，在鎳箔上就會產生熱量，從而使電池迅速變熱，將自己激活。一旦電池內部溫度超過60 °C時，就會觸發溫度傳感器並阻止電流通過鎳箔，此時電池就做好了快速充電的准備。而不工作時，電池的溫度會快速冷卻到環境溫度。
而給自身加熱的這部分電能，僅占電池總電能很小的一部分。全氣候電池每升溫10 °C大概消耗1.35%電量，這就意味著從-20 °C的環境中加熱至60 °C仍能剩餘89.2%的電量，仍可提供大於250 km的續航里程，電池循環次數仍超過2000次（以三天充一次電估算，使用壽命約16年），相當於用一小部分能量換取了整個電池的長效穩定工作。
王朝陽團隊快充電池與常規電池的對比
相比於傳統尋找新材料、改性已有材料的開發路徑，王朝陽團隊走的是一條更為「人跡罕至」的路：僅通過略微改變電池包內部結構，無需將已有電池制備設備全部淘汰。與普通電池包相比，全氣候電池的重量增加不會超過1%，電池成本增加不超過5%，量產後成本增加可降至2%。與傳統外部加熱方式相比，電池自加熱技術具有升溫快速、耗能低、加熱均勻的優點，能夠解決電池在極寒環境下的使用「瓶頸」問題。因此，全氣候電池具有非常廣闊的應用前景 。
目前，北京理工大學聯合相關單位已根據該思路完成了整個工作原理的驗證並成功研發出電池系統產品樣機，整車產品已經投入試驗示範應用。<8>
全氣候電池克服電池低溫問題，徹底解決了電動汽車在冬季續駛里程急劇下降、無法啟動、衰減、有安全隱患等諸多難題，對電動汽車的發展具有里程碑的意義。經過這樣的技術「加持」，未來鋰離子電池汽車將從容面對極寒氣溫的環境，突破鋰離子電池汽車在嚴冬時的續航里程衰減痛點，為鋰離子電池汽車的「二次破局」，進行更大範圍市場推廣奠定基礎。
電動汽車要滿足冬奧會的應用需求，除了要能夠在低溫環境下啟動、續航和有效使用外，還需快速充電的能力。王朝陽院士在2019年發布的一項快充技術稱，10分鐘充電可讓電動汽車充滿80%，續航300公里到400公里，並且經過2500次充放電後，電池容量只有8.3%的損耗。而在當前的電池技術水平下，即使快充也需要30分鐘充電到電池容量的80%，慢充則需要6-8小時，要想把電池充到100%則需要更久的時間。
車型
慢充時間 / h
快充時間 / h
續航里程 / km
小鵬G3
4.3
0.5-0.75
460
特斯拉Model 3
6-7
0.25（42%）
675
理想ONE
6
0.5
188
北汽E150EV
8
2
150
比亞迪E6
20
2
300
江淮和悅IEV4
8
2.5
200
奇瑞eQ
8-10
0.5
200
騰勢
5
1.5-2
250
北汽C70GB
>10
2
130
榮威E50
6-8
1.5
180
賽歐SPRINGO
7.5
-
130
長安E30
8
1.5
160
眾泰知豆E20
6
1
120
力帆LF7002EV
7
-
150
常見電動汽車充電時長
鋰電，未來
可以預期的是，未來隨著科學技術的不斷發展，總有一天，我們能大規模應用上大容量、充電快、安全性高的電池包，而電動汽車充電也會變得像燃油車一樣方便，電動汽車將不再有禁區。未來，我們不會再看到新聞上報道某電動汽車車主假期回家，路上充電花了十幾個小時的新聞，不會在充電的時候還需要吃個午飯喝個下午茶才能補電成功。甚至，我們還能擁有自己的電動飛機，上班回家再也不擁堵。
11月6日，騰訊科學WE大會上，王朝陽教授及數位全球頂尖科學家將為大家分享最新科學突破。一起來線上赴約吧！
<1> Bressler R D。
The mortality cost of carbon
https：//doi.org/10.1038/s41467-021-24487-w。
<2> https：//www.sohu.com/a/282797848_383324
<3>韋連梅， 燕溪溪， 張素娜， 等。
鋰離子電池低溫電解液研究進展
儲能科學與技術， 2017， 6（1）： 69-77.https：//doi.org/10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0065
<4> Wu S， Xiong R， Li H， et al。
The state of the art on preheating lithium-ion batteries in cold weather
Journal of Energy Storage， 2020， 27： 101059.https：//doi.org/10.1016/j.est.2019.101059
<5> Wang C Y， Zhang G， Ge S， et al。
Lithium-ion battery structure that self-heats at low temperatures
Nature， 2016， 529（7587）： 515-518.https：//doi.org/10.1038/nature16502
<6> Yang X G， Liu T， Wang C Y。
Thermally modulated lithium iron phosphate batteries for mass-market electric vehicles
Nature Energy， 2021， 6（2）： 176-185.https：//doi.org/10.1038/s41560-020-00757-7
<7> Ge S， Leng Y， Liu T， et al。
A new approach to both high safety and high performance of lithium-ion batteries
Science advances， 2020， 6（9）： eaay7633.https：//doi.org/10.1126/sciadv.aay7633
<8>http://kw.beijing.gov.cn/art/2019/1/17/art_6382_563980.html
作者
姓施的瓦辛格
北京科技大學博士
助理研究員
材料科學和平面設計領域科普作者
