宾夕法尼亚州立大学王朝阳：现存技术也能实现高比能、高安全性电池体系-独家观察-电池中国网

　　2019年1月11-13日，以“汽车革命与交通、能源、城市协同发展”为主题的中国电动车百人会议（2019）在京召开。会上，宾夕法尼亚州立大学教授王朝阳对新电池体系提出了自己的观点。

　　他认为，新的电池体系不是一项技术，而是贯穿了已知和正在慢慢地了解的很多知识和理论。比如通过用磷酸铁锂来包覆三元，得到的材料表面很稳定，从而将活性材料改善到很稳定的状态。

　　各位嘉宾，下午好！特别感谢欧阳教授跟组委会的邀请，我今天要讲的其实就是抛砖引玉，讲的是如何取得高比能、高性能、高安全新的动力电池体系，在座的专家可能特别是多年的专家，可能一下子就会觉得这是伪命题，不可能的事，所以我就想跟大家切磋一下，怎么样能够突破我们传统的电池科学跟技术的框框，能够真正颠覆传统的想法，看看能不能做出一些新的东西。

　　为什么不可能呢？因为电池材料在反应活性跟稳定性上面存在一个固有的矛盾，所以我把反应活性作为垂直的坐标，反应活性同时也反映了功率，活性大功率也大，性能好，但是同时衰竭也快，把稳定性作为一个横坐标的话，很稳定的东西、很稳定的材料给你安全性。所以所有的电池材料绝大多数都是在做这种事情，就是说我们做电池的科学家跟工程师，基本上每天是在玩折中的游戏。举个例子，比如高镍或者富锂这种三元材料，它的性能非常好，但是稳定性比较差，怎么办呢？就做一些表面的包覆、做一些掺杂，把稳定性搞的可接受，同时是在损失性能的基础上面实现这些东西。

　　另外一个极端的例子，比如说磷酸铁锂，它的稳定性非常好，寿命非常长、很稳定，但是它的性能不太好，所以我们会把充电的电压、台阶往上面走一点，把磷酸铁锂的结构变得不太稳定，但是它能改变性能，比如说比能量这个性能各方面会增加，所以在这条曲线上来来找折中的办法。实际要又是有活性，又是高功率的、又是有稳定性的，有非常安全的这样一种材料，就是说我们现在寻找的新的体系，简单讲，通过两步曲来实现，第一步，采取了比较钝化的材料去构造电芯，这个概念本身跟目前做的是完全不一样的，我们愿意去选择很稳定的、非常钝化的材料，这样我们电池做好以后肯定是安全的、肯定是稳定的。使用的时候怎么得到高功率呢？我们利用快速加热的办法，用热刺激来迅速的调制电化学的动力特性，让它能够输出高功率，也就是说我们应该的时候输出高功率，平时的时候是高安全、高稳定的这么一个结构。所以有了这两步，我们大家可以有高安全跟高性能两步都可以兼得。第二步，需要一个技术，这个技术其实就是一个新的结构，这个结构我们两年前在自然期刊上已经发表过，是同样的东西，在你现有的电芯当中插一片很薄的叶片，我们现在叶片能做到5微米，几乎不增加重量跟体积。黄色的这片，一端接在负极，另外一端通过开关接在正极，自加热就可以用电池自己的能源来迅速的增加电池的温度，那边电路图可以看的很清楚。

　　很奇妙的是，它的加热速度很快，能够达到每秒钟2—5度，比如我要从25度常温变成60度工作，要增加35度的温差，只需要7秒钟的时间，所以我需要高功率的时候，7秒钟时间就能够达到60度，这样做才能够打大提高反应活性。

　　因为是自己在内部的自加热，基本上没有什么能量的损耗，它能量效益非常高，消耗电池本身的能量很低。这个技术以前我们用在解决低温的问题，就是说低温也是可以解决这个问题，这个以前从《自然》文章里面拿到，0度到20度加热只需要12秒钟，用在低温上我们几乎可以解决了低温限制的问题，也就是说这个是实际车子的结果，把电池可用来驱动汽车的能源在环境温度中画成曲线瓦时/公斤的锂离子电池，我们在负的30度它的续航里程照样能够达到常温续航里程的92%，也就是说从常温到负的30度，几乎续航里程不太变化，所以在能量利用方面就起到了很大的作用。同样，在功率上也起到了非常大的作用。所以我们黑色的这个线是传统电池的内阻，我们车辆内阻，把它钢化以后，内阻的导数就是功率，从常温到负的30度，内阻增加9倍，就是功率减少9倍，所以在很低的温度下，锂离子电池几乎不会有大的功率。我们用了这个技术，可能在座有些人知道这个名词，会在很广的温度范围当中都是给你同样的规律或者同样低的内阻，为什么会这样呢？比如说负的20度，我们原来负的20度百分之百的SOC充好电的，按照传统的电池它的内阻是非常大的，但是我经过10秒钟的自加热，就可以把这个电池状况变成10度，损失3%的能量变成97%的SOC，在第二个电池状况下大家可以想象它的功率或者说它内阻，几乎跟常温是一模一样的。所以用这种办法我们就可以在很大的温差范围当中可以达到几乎是同样的功率状况，所以有了这个技术以后我们能够实现第二步。

　　但是再回来说，我们用刚才讲的新体系，新体系暂时起了这个名字，就是无需管理的电池，最终电池是不需要管理的，因为需要管理说明这个电池太脆弱了、太敏感了，不适合在汽车这么大的范围当中需要使用，我相信以后的电池是不需要管理的，你扔在哪里它都能发光发热，是这个概念。我们刚才讲MFB有两个关键的步骤，第一个是材料，我们现在所有发展材料的倾向都是往稳定性发展，所以比如811，甚至905，就是90%的镍，只有5%的钴，所以对降低钴的含量有很大的作用，这些材料本身不太稳定，所以尽量把它弄的稳定。这里的结果就是，我们进行表面包覆，用磷酸铁锂来包覆三元，这样表面是非常非常稳定的一个状况，越稳定越好。这是一种办法，从活性材料改善可以达到很稳定的电池。

　　还有一种，你在电解液当中可以增加添加剂，很普通的添加剂，都可以让电池的界面非常钝化，关键词我们讲钝化，甚至钝化到什么程度？这里比较，黑的线，做EIS，半弧圈的直径代表这个，低的话代表表面电化学活性较高，高的话说明界面比较钝化，这个黑的线是目前主流电池的电解液，我们在这里加很普通的添加也，就可以把RCT增加4—5倍，就是说电池的界面里面的电化学界面钝化4—5倍，非常钝化。钝化以后有什么好处呢？稳定，很安全，所以我们把同样的两种电池，所有的活性材料都是一样，只是在添加剂不一样，做成2.8安时的软包，做针刺，左边的这个是传统的电池，一针刺最高温度可以达到1000度，所以目前几乎是没有三元材料可以通过针刺的测试。右边这个就是经过钝化以后就非常安全，最高温度只达到100度就下去了，非常非常安全。所以钝化的电池都是非常安全的。

　　这是一个刺瓶，左边针刺很小的电池都会冒烟起火，右边的刺下去连变形都不会，非常钝化，这个电池的内阻非常大。我们肯定会问，内阻那么大、那么迟钝的一个电池有什么用呢？这就是我用的时候能让它发挥出高的功率，比如我们这里把直流的内阻在SOC 50%的时候，左边这个是放电直流内阻，右边是充电，直流内阻把它化成跟温度的关系，黑的线还是对比传统的电池，其他两根线就是比较钝化的界面以后的电池，在常温下面，20几度的时候，确实钝化的材料它的内阻很大，大很多倍。但是我们比较是在这两个台阶上比较，传统的电池是在常温下使用，所以他的内阻放电的时候是31，我们MFB是在10秒钟之后加热到60度以后工作，在60度的时候他是18，所以相比之下我的功率还比他大1.72倍，充电也是同样的一个结果，28跟18.5。所以我们这个电池平时是非常非常钝化的，享受很好的安全性，但是你在用的时候，给我10秒钟的时间、20秒钟的时间，我可以让你达到你所需要的外部功率的需求，是这么一个概念。特别是0度的时候，今天北京还比较热，昨天可能是0度，传统的电池0度的时候内阻非常非常大，但是对我们这种MFB的电池来讲，经过15秒钟的时候可以从0度加热到60度，同样享受18的内阻，所以它的功率实际上提高了4.6倍。

　　这个是对比一下我们MFB在60度工作的时候，放电的倍率曲线跟传统电池在常温的放电倍率曲线，倍率从数据A到数据C，大家知道在数据曲线越紧凑说明都是高功率的电池，完全可以看到MFB在你需要的时候可以给你高功率。

　　同时我们这个MFB比较迟钝的电池能够承受高温的考验，所以一直在60度循环的时候，我们的电池有2000次的循环次数，而传统的电池，因为在常温就已经很活跃，到了60度以后已经太活跃，衰减非常快，所以它的循环少于500次。2000次什么概念？假如每次是300公里的线万公里，完全满足车子的需要。所以在需要的时候，他可以给你循环次数。

　　还有我们很多电池用在比较热的情况下，比如说南方在夏天的时候，暴晒，可能车子里头要接近80度，我们这个电池就可以比较承受考验，而传统的电池可能过于太活跃。

　　想问这么一个问题，是不是无需管理的电池，MFB是不是我们的终极电池？大家可以考虑。

　　第一点，我把电池的活性，无量钢化以后化成垂直坐标，怎么无量钢化呢？我以传统电池，或者目前最好的动力电池在常温的活性作为一个基准，所有其他值都除以它，1就代表着我们现在能够满足外部车子的需要，就是功率的需要，把传统电池的黑线画出来，把这个新的电池MFB红的做出来，你可以发现，按照1代表满足外部功率需要的话，我新的钝化的电池只需要在50度以上工作就完全满足。刚才讲，60度工作我甚至超出他的功率，50度可以完全满足。

　　在常温的情况下，我不用这个电池的话，我的钝化电池实际上活性是比传统电池要小5倍，就是说5倍的安全，然后它的老化也小5倍，大部分我们的动力电池95%是放在那儿没有用的，所以大大的提高了他的寿命，因为它的老化降低很多。即使是碰到60度的温度，我们的活性是比传统电池的活性小2.5倍，也就是说热失控的可能性也降低了，风险也降低了。

　　还有一点，我们的电池要是在60度工作的话，实际上完全解决了热管理的问题。刚才我们的Gregory谈了热管理，热管理无非是传热系数、面积×温差，大部分时间都是传热面积上纠结，但是有时候我们会忽略了这个，我的媒介是25度，我是35度的温差，传统电池是30度工作，比如冷却界面是25度的温差，我比它本身温差就增加了7倍，所以对做热管理是很简单，甚至将来的电池不需要主动的热管理，它自己自然对流就足够了。另外一个，我们大大减少了或者说简化了BMS，为什么这么说呢？电池的使用环境可以千变万化，各种各样的条件，但是我电芯的工作条件永远只有一个，只要给我10秒钟时间，我就把你弄到60度工作，我的电芯永远是在60度工作，所以我的SOC、SOP都很容易估算，我用这个全部解决了，我不需要去考虑很复杂的各种各样的使用环境。我也做过很多模拟各方面，可能大家看到我的一些文章，但是本身我的内心实际上是追求简单的粗暴的方法，解决问题的最简单的方法，这是我内心最想追求的。

　　所以总结起来，这种MFB是超级安全、非常稳定，而功率只是跟传统的电池不一样，传统的电池功率你只是有的，无论你用不用它一直在那儿，而我们现在是改变这个策略，就是说功率你想要的时候我给你、你不要的时候我是比较钝化的这么一个过程。在热管理跟BMS简化上，我可以在系统上，就是PACK上达到很高的能量密度，因为我消除了很多很多被动的部件，整个寿命可以延长很长，因为在大部分不用电池的时间，它的老化速率可以减少5倍，成本也会减少很小，自放电非常低。

　　要做MFB的话，我刚才谈了一些电解液的，但是你假如说看哪些电解液符合这方面的体系，你会看出刚才我举了一些例子，我们发展的一些电解液，也许过去我们认为没什么用的电解液现在都会有用。另外看其他电解液最前沿的研究，你会发现，比如高浓度的电解液，特点是高黏度、导电率还不够，这些是缺点，优点是热稳定性非常好、不起火，用在我们新体系上是完美的，没有缺点。因为我们可以用自加热的办法让它的浓度下降，因为温度上去浓度就下降，导电率升高到满足外部需求。

　　离子液体也是一样，天天我们在追求升温的离子液体，因为大部分的离子液体在室温的时候导电率都不高，我们现在不需要室温的高导电率，因为我们从室温可以提高到60度或者80度。还有可能国内谈的最多的固体电解质，大部分还是在导电率上面有缺陷，还有固固界面有很大的电阻，它的性能无、它的倍率都有很大的问题，但它的优点就是说，它很安全，它可以耐高温，我们就可以利用这个优点把工作温度25度很快的几秒钟当中可以提高到60度、80度、90度，弥补了所有的缺点。所有这些电解液或者电解质前沿的研究，都符合我们新的体系当中。

　　这是我的最后总结，实际上新的体系是一个平台技术，不是一项技术，贯穿了我们目前在追求的很多很多的东西，从添加剂取得热稳定性的液体电解液开始，从高浓度的电解液，离子液体，包括全固态的，这些都是贯穿在同样的平台上，实际上我们原来以为他们不太有联系的一些研究，但它背后都是有一个同样的基础理念在那儿。同样，我们对锂金属负极也需要温度，因为你在常温的时候在充电的时候会出现枝晶，也就是说表面不稳定，提高温度以后界面可以变得非常稳定。

　　锂空电池也是，最大的特点是极化太大，它充放电的能源效率是很低的，这个极化电化学也可以用温度来解决这一个问题。

　　现在人们已经知道在这些不同的研究领域当中实际上是一个贯穿的主题，所以我们现在已经慢慢发现一个问题，在全固态电池之后会是什么样的技术，所以我现在放一个问号在那儿，我希望明年我能来用实际的数据跟大家讲，在全固态电池之后它应该是一个什么样的技术。

　　总的来讲，现在材料的追求我们是稳定性、稳定性、稳定性，重要的事情讲三遍，在界面上我们也是追求稳定性、稳定性、稳定性，这是材料界面上目前我们大家都认为应该是正确的方向，你需要功率的时候、需要倍率的时候我们用电池的结构，暂时用热刺激的办法可以让你散去，功率能大大的提升5—6倍。实际上有些理念是有颠覆性的，但是技术实际上本身都是很简单，比如说同样的在这个体系当中，这个是比较新的，两年之前我们做ACB technology的时候，同样是一个相对来说还是比较简单能轻松实现的技术。

　　感谢孙院士带领的团队，把这个技术真正的能够在中国执行下去，去年已经进行了第一次车队在东北的实验，听说下礼拜我们还去做第二次的实验，所以非常激动，我觉得国内有这个特点，你把很多原创的东西、真正颠覆的东西能很快的实施下去，执行力非常强，能够把这个做出来，然后实用化，这个是不得了的事情。我们这些做科学的只能在实验室里面想一些东西、发表一些文章，但是从文章到商业化能够迅速的进行，我是很谢谢国内。MFB在座的，假如大家有兴趣的话，大家一起努力把这样的一个东西实施出来，取得又安全、又能够高性能。谢谢大家！