电动汽车严寒天易“趴窝”？ “全气候电池”或能治愈

每经记者 董天意 每经编辑 孙 磊
　　立冬后的北京气温骤降，似乎有意提醒人们，冬奥会的脚步近了。
　　不足百日，北京2022年冬奥会将正式拉开帷幕。在“绿色冬奥”倡导下，本届冬奥会将使用氢燃料车、纯电动车、天然气车、混合动力车及传统能源车用于赛事交通服务。其中，节能与清洁能源车型在小客车中占比100%，在全部车辆中占比85.84%，为历届冬奥会之最。
　　但欢庆之余，纯电动车在严寒环境的表现不禁让人捏一把汗。据了解，在本届冬奥会期间，这些纯电动车或将面临-20℃至-30℃的超低温工作环境。作为举办地之一的张家口地区，其冬季平均温度常年处于-10℃左右，崇礼区室外赛区极寒时温度更是降至-23℃以下。
　　在如此极端的工况条件下担负赛事通勤工作，纯电动车能胜任吗？
　　“锂电池不耐低温的问题，已经得到解决。”日前，电池技术科学家、美国国家发明家科学院院士、宾夕弗尼亚州立大学讲席教授王朝阳在2021腾讯科学WE大会上表示，他的团队发明了一种全气候电池，可在极低温度下照常运行。该技术不仅入选了2022年度汽车十大技术趋势，也将成为服务冬奥的纯电动车的核心驱动技术之一，为北京2022年冬奥会保驾护航。
　
　不仅“抗冻”还安全
　　公开资料显示，电池内部是由正极、负极材料及两者之间的电解液三种材料构成。上述结构中，正极材料-电解液与负极材料-电解液分别构成两个界面，这两个界面存在的电势差即是电压。而根据正极材料的不同，电池也将具备不同特性，目前在电动车上应用最广泛的镍钴锰酸锂（三元）电池与磷酸铁锂电池即源于正极材料的区别。
　　但锂离子电池的“顽疾”在于低温条件下性能不佳。相关资料显示，在-30℃的工况环境下，锂离子电池将损失约9~10倍的功率，这也是造成电动车在冬季续航里程“缩水”的主要原因。
　　对此，目前业内主要采用材料解决方法，即在电解液中掺入大量高挥发性易燃物质——线性碳酸酯，并采用镍钴锰等高活性材料作为电池正极材料，以改善锂离子电池的低温性能，但上述方法又将导致电池在炎热天气出现起火爆炸等热失控现象。面对电池高温稳定性与低温高活性这一“矛盾体”，当前电池技术的发展陷入瓶颈。
　　“近100年来，我们熟悉的主流电池从铅酸电池改进到镍氢电池，然后转变到现在的锂离子电池，电池技术的改进基本上来源于材料的创新。”王朝阳表示，相比以往寻找新材料的开发路径，全天候电池的创新点在于突破了上述传统的电池结构。
　　据介绍，全天候电池通过内嵌一片10微米厚度的镍箔作为发热体，从而实现对正负极界面可控。该发热体的工作过程相当于在电池内部造成快速短路，当外部环境温度较低时，系统控制电流通过镍箔造成可控内短路并产生热量，从而快速提升电池温度以实现输出功率。据王朝阳介绍，即使在-30℃环境下“冻透”的电池，通过上述装置也可在30秒内自加热到零度以上正常工作。
　　“通过这个快捷低能耗的热刺激方法，我们就可以用最稳定最安全的材料制作电池。在不使用的时候，电池内的化学界面保持最低（活性）水平，保障电池的安全和最低的老化速率。工作时，则用热刺激将电池反应界面瞬间调大调强，从而保证高功率输出。”王朝阳说。
　
　可实现10分钟快充
　　基于热调控机理，王朝阳的研发团队还成功研制出10分钟快充电池，而这一技术的诞生或将深刻影响电动汽车技术路线和发展方向。
　　据介绍，实现快充技术的科学要求是电池的活性足够高，锂离子在电极间的传递速度足够快，而热调控机理即可实现这一目标。王朝阳举例称，当电动汽车行驶至快充桩前，可先通过热调控装置对电池进行30秒左右的热刺激，使其内部活性增强后再进行大电流充电。“我们目前能做到的最好水平是充电10分钟获得200Wh/kg的能量，然后可以如此快充上千次以上没有损害。”王朝阳说。
　　“10分钟快充电池的推广将成为电动汽车的重要里程碑之一，因为它提供了一种快速便捷的补能方法，这将会引发电动汽车和许多应用场景的革命性变化。”王朝阳表示，当电动汽车用户具备随时随地的快速补能条件，里程焦虑将不再需要推高电池容量来解决，而车载动力电池的原材料成本也将大幅降低。
　　此外，王朝阳认为，快充电池的出现也将使飞行汽车的商业化成为现实。
　　作为未来出行的主要进化方向，飞行汽车正成为车企争相布局的领域。日前，小鹏汽车公布其生态企业小鹏汇天第六代飞行汽车的相关信息，小鹏汽车董事长、CEO何小鹏称，该飞行汽车的目标是在2024年实现量产。此外，本田、戴姆勒、丰田、现代、通用、吉利、Stellantis集团等均已入局飞行汽车领域。
　　据王朝阳介绍，飞行汽车对电池的要求较高，目前全球普遍看好的垂直升降飞行汽车或者空中出租车，在每次降落后都必须对电池进行快速补能，其团队现已验证10分钟快充电池搭载于飞行汽车的可行性和经济性，飞行汽车的应用或将于2025年左右成为现实。
　　“飞行汽车首先可能应用在出租等公共出行领域，比如市中心和机场的穿梭交通等，以商用的出租车车队服务出现，然后才是私人飞行汽车，就像哈利·波特电影中拿着扫把飞一样，这是人类的梦想。”王朝阳表示。