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对话王朝阳院士:从汽车到飞行器,电池未来需要怎样的技术特性?

我们与王院士探讨了电池包小型化、正负极材料选取需要遵循的规律、固态电池的难点与可能性、飞行电池需要什么样的技术特性……

经纬科创汇动力电池专场又与大家见面了,我们和DeepTech战略合作,邀请到了学界与业界的资深专家,以及行业投资人与创业者来进行交流。

本篇是我们动力电池系列的第3篇文章,访谈对象是王朝阳院士,他是国际知名的动力电池、储能与燃料电池技术科学家,也是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、电池与储能研究院院长。

王院士在锂离子电池和燃料电池技术方面有接近30年的研究经验,在Nature、Nature Energy、Joule、PNAS、Science Advances等期刊上发表了220多篇学术论文,他还拥有120多项专利,并出版了两本专著。

其中,王院士发表在《Nature》上的关于全气候电池(ACB)的发明,被2022年北京冬奥运会采用,成为驱动奥运电动汽车的核心技术之一,同时该技术已经授权给了宝马等车企。而另一项*“充电10分钟,续航400公里”,利用快速加热以及非对称的充放电温度(Asymmetric Temperature Modulation, ATM)实现了高比能锂离子电池的极速充电,颠覆性地解决了“10分钟内充好电动汽车”难题,该成果发表于2019年10月《Joule》上,这是迄今为止在极速充电领域被报道的*结果。

我们与王院士探讨了电池包小型化、正负极材料选取需要遵循的规律、固态电池的难点与可能性、飞行电池(用在eVTOL上)需要什么样的技术特性……

以下,Enjoy:

经纬:当下,电动汽车正面临着原材料的严重匮乏,锂、镍、钴价格都在飙升,似乎我们没有足够多的动力电池,来满足消费者对电动汽车日益增长的需求。在这种情况下,您认为是否应该反思长续航/大电池的发展方向,比如开始考虑电池包小型化的策略?有什么技术革新可以让小电池包来为消费者解决里程焦虑?

王朝阳:目前这个是全球性的问题,一些金属原材料匮乏,再加上疫情期间全球供应链极其脆弱。在这种情况下,我们是不是还应该再在大众电动汽车坚持长续航路线,因为长续航意味着必须是大电池,但因为各种原因产能不够。

所以我们应该考虑电池包小型化的路线,比如原来150度电、续航1000公里的电池,现在把它做成50度电,这样原本只能用在一辆车上的动力电池,现在可以用在三辆车上。

但50度电需要去解决里程焦虑,否则也不可行。这就涉及到很多关键技术,最重要的就是快充。50度电一般可以续航300公里,如果可以在十分钟内再充满50度电,就不会太影响驾乘体验。所以快速便捷的补能,将会是以后解决电池供应、原材料匮乏的一个重要手段。

经纬:如果要走电池包小型化的路线,是不是同时也需要大幅提高充电桩的覆盖率?需要兴建大量新的基础设施?

王朝阳:我们可以做一个简单的计算。当把电池包小型号化以后,就拿50度电作为例子,国内也有很多特斯拉250千瓦的超充桩,它实际上可以在一个小时中,服务5辆50度电的电动车。这说明我们的快充桩,如果是以国家基建的形式去做应该很容易解决。

第二点,实际上现在特斯拉的超充桩,每一个桩一个小时只能服务一辆电动车,利用率只有20%。如果把快充系统做好,就可以在现有的快充桩上,增加5倍的利用率,也就是现有的超充桩已可以支撑增加5倍的电动车数量。电池包小型化、快充、大功率超充桩是一个体系。

经纬:电化学其实是一个相对成熟的领域,它的“*性原理”就是能量守恒定律,您认为怎么依据这个定律来选择技术路径与投资方向?

王朝阳:对这一点也是我经常说的,动力电池的*性原理就是能量守恒,做技术的也好,做产品的也罢,不会有不费吹灰之力就能飞上天的事情,所以用*性原理可以去判断很多技术和企业发展方向。

举个例子,假设要想续航一千公里,就必须要消耗150度电,这就是能量守恒,无论能量密度多高,一度电多少钱,成本就在那。而储能实际上是一个非常昂贵的事情,我要储一度电需要一千块钱成本在电池里,相比补能一度电,可能就只要花一块钱。

所以储能和补能相比,其中有一千倍的成本差距。我们在发展有商业价值的技术或产品时,一定要想到,不是说储能储得越多越好、时间越长越好。如果反过来,储很少的能,但可以靠补能快速周转过来,整体成本一定才是最少的。这就是用*性原理去思考未来的路径。

经纬:您之前还提过,电池的安全性应该排在*位,其中保证安全的电芯将是关键。在安全性方面,最近有哪些技术突破?

王朝阳:安全是**位的。没有安全的电池,新能源汽车成不了产业。去年美国通用汽车公司,大概有20多例电动汽车着火,最终导致大量召回,此举损失了18亿美金,非常惨重。所以无论从哪个角度来说,安全都是*位的考量因素。

此外,由于电池包集成是大势所趋,比如C2C(Cell to Chassis),就是直接把Cell放到台架上面,这就对电芯本身的安全性提出了更高的要求。因为这时候的电池包,就不可能通过简单方法,比如在两个电池之间,放隔热材料来防止火焰传播。并且也不可能当一个电池坏了,能够隔离其他的,再把它很容易地取出来换掉,因为电芯都已经集成到车体里面了。

在这种大趋势下,电芯本身就要足够安全,一定要用耐热稳定的材料,比如电解液中挥发性强的溶剂必须要去掉,这些都是动力电池在越来越集成大趋势下的结果,未来为了节省空间,电池甚至可以集成在车门里。

经纬:固态电池一直被视为有巨大颠覆潜力的机会,但在当下,全固态因为“固固接触”的问题,发展得还很艰难。未来也许需要有新的材料突破,或是别的领域的降维打击,才能带来颠覆性改进。您最近有看到什么有潜力的技术突破吗?

王朝阳:现在全固态电池,在电解质和电极材料之间,存在了一个固-固的界面,随着充放电时电极体积变化,会产生很多问题。同时一些高导电率的电解质,真正用在全固态电池上效果并不好,因为在材料选择上必须要考虑平衡,不仅要导电率高,还要稳定。很多所谓的超导电率固态电解质,特别是硫化物,都是非常不稳定的。

所以近年来,我觉得在全固态电池中,*的突破其实是人们对固态电池有了科学的认识,知道要把全固态电池的整体性能做好,就不应该只追求高导电率,我们目前的研究方向已经转向在导电率和稳定性之间寻求一个平衡。

这是一个新的认知,也是一种突破,我相信在未来会有一些高稳定性的新材料出现。我的一个预测是,未来主流的全固态电池需要加热后才能使用,它可能在常温下活性平平,需要在60度或80度工作。真正做到工作时大功率,不工作时高安全。

固态电池工作原理示意图

经纬:另外在全固态电池里,您觉得正负极材料会跟现在的三元/磷酸铁锂体系有所不同吗?

王朝阳:全固态只是解决了电解质的问题,实际上使用的还是同样的正负极材料,没有变化。从理论上来说,把电解液换成电解质,和正极、负极的活性材料没有太大的关系。但它可能会帮助一些在电解液中比较难成功的材料,比如锂硫体系中的硫,由于会溶解然后跑到负极上,但在固态电解质中能得到解决。但从原理上说,无论用什么电解液或电解质,不太影响能量密度。

经纬:我们现在听到的都是固态电池的各种优势,比如更安全等等,但固态电池本身有什么劣势吗?

王朝阳:其实固态电池的各种优势,目前都还是我们美好的愿望。我之前一位德国同事讲过一个观点,他说假如固态电池能在2026年商业化,而汽车行业必须有4-5年的合规验证时间,那么倒推到今天,各大科研院所应该都在测试自己的固态电池。但在今天,几乎所有科研院所都还没有像样的固态电池,更没有车规级的测试数据。

所以我们现在的很多想法,包括认为更安全,其实都还没有经历过大规模的测试。我们目前只是预测,固态电解质因为不会燃烧就会更安全。但电池安全有很多方面,比如我的课题组在3月就发表了一篇文章,其中就提到固态电池的短路问题。

假如固态电池可以实现快充,一旦短路,释放的能量是巨大的。由于固态电池能量密度很高,我们估算了一下,它可能会让温度升到1500度。在1500度时,没什么材料还能是安全的。首先你的正极会放氧,比如三元材料在200-230度就会释放大量氧气,另外固态电池负极用的都是锂金属,而锂金属在180度就融化了,这都还远远没到1500度。

所以我们说固态电池更安全、能量密度更高等等,都是基于美好的预测。我觉得很多预测,还是要等样品做出来,现在去谈优势还为时过早。

经纬:听您这么说,其实固态电池的不确定性还挺大的,目前其实还是很早期的事情。

王朝阳:的确还非常早期。历史上发生过很多过于乐观的预测,比如氢燃料电池。早在90年代初,加拿大的一家公司就声称氢燃料电池可以用在汽车上,并且五年之后就会大规模商业化。那是90年代,当时也拿到很多融资,声量非常大。

但到了1995年的时候,完全没有实现商业化,当时说还要五年。又到了2000年,也还是不行,2000年后经历了一个又一个5年,都没有实现大规模商业化。对于很多新技术,我们也不能过于乐观,有可能永远是五年之后。

经纬:我们对固态电池大规模商业化的预测,的确越来越晚,一开始有人说可能2025年,后来又到2027年,再到2030年,一直在往后延,您怎么预测时间表?

王朝阳:对于这种有潜力的新技术,其实很难去预测它到底什么时候能成熟,但有一点可以确定的是,它一定要能通过实验期,在几千辆甚至上万辆车上能够跑通。从渗透率的角度来说,肯定要超过0.1%,这已经是很小的比例,但目前都没有实现这样的目标。我觉得全固态电池应该还需要十年时间,真正的商业化至少在2030年之后。

目前去讨论全固态电池什么时候能规模化,还为时过早,我们是在等待科学上的突破,也许明天发生,也许十年以后发生。企业的发展不应该依赖于等待,而是要利用比较成熟的技术先发展。

经纬:最近,还有很多人在讨论钠离子电池,您觉得钠离子电池目前发展如何?未来它更适合什么样的场景,可能会占有哪些领域的市场?

王朝阳:我对钠离子电池的简单概括就是,它是锂离子电池的一个备胎。它实际上是跟铁锂电池在竞争,相比铁锂电池来说,钠离子电池最主要的优势是钠资源非常丰富,虽然锂资源也不算太少,但它的生产和供应还不足。

钠离子电池*的劣势,就是除了钠资源丰富之外,其他的地方都输于铁锂电池,能量密度不算太高、因为缺乏供应链生产成本也不一定很低。

虽然如此,我依然觉得高校和政府研究机构,应该坚持对钠离子电池的研发,因为这是一个重要的备胎,也许有一天会用上。从多元化角度是好的,不但是钠电池,还有钾电池、铝电池都值得研发。当然对企业来说,投资一个备胎是非常昂贵的事情,因为你不知道它哪一天能用上。

经纬:您之前对飞行电池(eVTOL)也做过很多研究,包括热调控技术等等。用在eVTOL上的这类电池,可能和电动车上的动力电池有什么不一样?

王朝阳:我觉得国内的电池制造商去拓展eVTOL(电动垂直起降飞行器)电池走出口路线是很不错的。如今美国、欧洲还有韩国,在eVTOL方面都投资很大,像韩国想以现代集团为主,大量投资eVTOL,希望能够把它商业化。eVTOL未来在很多大都市都很有市场,它可以代替一部分地面通勤,大大减少高峰期的拥堵。

对于飞行电池,它其实和电动车上的动力电池非常像,比如说也要求很高的能量密度,以及功率密度,因为在垂直起飞和降落的时候,需要非常大的功率。所以飞行电池会是三元材料的,因为磷酸铁锂太重了,能量密度也不太够。用钴也完全可以,因为eVTOL的量不会像电动车那么大。

除此之外它还需要有快充的能力,这可能是eVTOL电池和电动车电池*的区别。eVTOL应该是不带过多的电池,但一降落马上要充电桩充电。因为*,如果在空中带着过多的电池飞好几趟,这很愚蠢,能量效率很低。

第二,带过多冗余电量也是不安全的,这就像现在的商用飞机,在降落的时候需要仅剩不多的燃料,来保证安全。同样飞行电池也是,eVTOL的电池在降落之前,可能只剩下20%、25%的电量,不然降落很危险。

所以快充能力至关重要,它*就是在有充电桩的环境下降落,然后在10分钟之内充好电,这样才能保证eVTOL的运行效率。

电动垂直起降方式对电池特定功率和能量的要求(来源:Deeptech;王朝阳院士)

经纬:最后一个问题我们回到电动车产业链。您觉得在供应链端,未来有可能会产生哪些变化?因为动力电池对于电动车企来说很重要,就像是以前的发动机之于燃油车,但发动机往往是主机厂自己做的。

王朝阳:我认为未来会有变化发生。动力电池对于主机厂来说的确是心脏般的重要地位,就像发动机是燃油车的心脏一样。在过去的汽车产业,没有一个主流的主机厂,是把自己的发动机外包或者采购来的,都是自己研发自己制造。

新能源车暂时是例外,但未来我认为会有很多整合发生,一方面是主机厂会垂直整合,自己开始研发和制造电池,而不是依赖于外供,这是一个趋势。

另外一方面,是电池包的集成化,比如C2P、C2B、C2C,实际上这个趋势现在已经非常明显。但这种集成,是需要电池供应商和主机厂紧密配合,因为我要把电池包装到你的车体里,一个电池制造商单独干不了这个事,它需要了解这个车体是怎么样的,重量是怎么分布的,需要各方面的模拟测试。

所以未来的一种可能是,主机厂会慢慢建立自己的电池厂,另一方面也有可能是一些大的电池制造商,会慢慢收购一些主机厂,开始涉足电动车制造。

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