WNEVC 2021 王朝陽院士：驅動飛行汽車的熱調控電池

2021年9月15-17日，“第三屆世界新能源汽車大會”（WNEVC 2021）在海南省海口市召開，由中國科學技術協會、海南省人民政府、科學技術部、工業和信息化部、生態環境部、住房和城鄉建設部、交通運輸部、國家市場監督管理總局、國家能源局共同主辦。本次大會以“全面推進市場化、加速跨產業融合，攜手實現碳中和”爲主題，邀請全球各國政產學研各界代表展開研討。

其中，在9月15日下午舉辦的“飛行汽車解決方案及發展前景”主題峰會上，美國國家發明家科學院院士、美國賓夕法尼亞州立大學講席教授王朝陽發表精彩演講。其主要觀點如下：

1. 飛行汽車可對解決路面擁堵起到非常至關重要的作用。

2. 高能量密度、高功率、快充是飛行汽車對動力電池的基本要求，能量密度要大於270千瓦每公斤，平均放電速率達到1C，快充速率要3C以上。

3. 使用熱調控技術，可有效解決動力電池快充過程中析鋰的現象，保障電池在2千次循環之後還可保持90%以上容量。

以下內容爲現場演講實錄：

大家好！我是王朝陽，來自美國賓夕法尼亞州立大學，首先我要感謝組委會邀請我參加這個峰會，也特別高興和大家在這裡分享我們最近在飛行汽車電池方面所做的一些工作。我演講的題目是驅動飛行汽車的熱調控電池，這是一種新型電池，在過去十年當中剛剛發明的一種電池。

大家都知道，在世界各大城市當中，地面擁堵是一個巨大的挑戰，也是引起了很多的問題，特別是在擁堵的時候我們企業所產生的碳排放對實現雙碳目標也是一個巨大的挑戰，所以有必要開拓空中的出行，也就是說讓我們的交通能夠延伸到三維3D，開展空中的走廊。這個空中走廊可以讓我們都市的交通變得更暢通一點，可以解決地面擁堵的很多問題，比如說出租車、空中配送、無人配送，這些在大城市當中都是對解決路面擁堵起到非常至關重要的作用的。

世界上有數十家公司在啓動這種垂直起降的方式，也就是eVTOL，它是垂直起飛跟垂直降落的，而且用了電驅動系統以後可以達到低噪音、清潔和高能效的作用，所以對於我們城市開展空中走廊起到非常重要的一個作用，這個示意圖大家可以看到，飛行汽車是起飛昇高一部分然後開始滑行到一定高度然後再開始降落，在航空方面還有一個需求就是說要爲緊急情況做準備，如果第一次降落有困難或者說有某種原因，必須要準備好有第二次降落或者說要分流到其他的降落點，所以這個飛行汽車的電池要保證有一定的能量，能夠進行第二次的降落，那假如說第一次成功降落之後我們就必須要讓飛機在交換顧客的時間之內把這個充電的事情做好，所以這個要時間上是非常緊迫的需求，那麼對於eVTOL飛行汽車有什麼要求呢？

第一個就是能量密度，因爲我們飛行汽車是直接把電池包帶在空中，所以它的能量密度是非常重要的，根據能量密度、載重和電池包總共有多少度的能量基本上就可以決定它的飛機續航里程，所以這兩個可以計算續航里程是多少，總之第一大要求就是能量密度一定要高。

第二個要求就是飛行汽車必須要有非常高的功率，左邊這裡我們把飛行汽車的複合曲線第一次發佈出來，這是我們團隊在世界上第一次定義這個飛行汽車的複合曲線，你看它的座標是代表功率跟能量比，橫座標是時間，所以整個複合循環是在半小時時間完成，然後第一步就是起飛，起飛的時候需要巨大的功率，然後在爬坡升的時候也需要一定功率，在滑行的時候功率非常小，在自然滑行中不需要太大的功率，在降落過程中也需要非常大的功率，在降落過程當中我們準備的續航還需要準備第二次降落的要求，所以我們打算把飛行汽車的電池複合曲線跟電動汽車曲線相比的話放在右邊，右邊就可以看到兩條曲線，黑色是表示電動汽車在高速公路深的複合曲線，或者我們叫US06，紅色的是電動汽車在城市之內的複合曲線，所以它相對來講都是比較溫和的。

這兩個相比你就會發現，有巨大的變化，對於eVTOL或者飛行汽車電池來講平均的放電速率是1C，而電動汽車在高速上行駛平均功率是0.3C，所以它的放電電流對於飛行汽車來講是電動汽車的3到10倍。因爲電流是需要3到10倍，那麼飛行汽車電池中的產熱就變成了9倍之大，以後它的產熱是跟電流平方比的，所以在飛行汽車的電池當中有大量的熱量產生，那麼熱管理系統就是一個巨大的挑戰，不但是因爲產熱非常大，而且飛行汽車我們基本上不願意採用液體冷卻的系統，因爲液體的話一個是增加重量，另外還有削弱的問題，在經歷熱失控的過程當中會跟冷卻液體有更多的交叉產生化學反應，所以它的安全隱患是一個非常大的挑戰，最好不要用液冷系統。

第三個對於飛行汽車的要求就是快充，因爲快充對於eVTOL的商業運營，它的經濟性是至關重要的。爲什麼呢？我們的eVTOL這個飛行汽車或者說空中出租車它必須要在高峰期，就是早上和下午的三個小時內必須要連續運行，它不允許空中的出租車要花好幾個小時來充電。所以最理想的狀態就是eVTOL在每次停靠的時候在交換乘客大概5分鐘的過程中完成電池充電，所以假如說要保證5分鐘的充電的話那我們的電池充電倍率應該是3到60中間，這樣的話我們就可以計算出每一架飛行汽車一年當中可以進行多少次的飛行，然後每個來回飛行它產生了多少的經濟效益就可以算得出每年的經濟效益。這個充電的倍率對整個eVTOL的運行是至關重要的。

但是從電化學的角度來講我們都知道快充是受到電池內部一個叫析鋰現象的限制，你快速充電必定要有大量的鋰離子從正極向負極遷移，這是正常情況，但是有大量鋰離子到達石墨表面的話往往來不及進入到顆粒裡面，往往在其表面產生大量的析鋰，它會引起容量的損失，另外它很快會讓電池的內部短路，所以這是一個巨大的安全隱患。

我們在過去五六年當中就發明了一個叫非對稱熱調控技術來解決了這個快充過程當中析鋰的現象，我們使用電池的時候是在正常狀態中使用，但是我們可以對電池進行快速加熱，把環境溫度提升到比較高的溫度，比如說60度，在比較高的溫度下電動力學性能就大大改善，然後鋰離子的傳輸大大加快，這樣儘管我們在進行大電流充電的時候也不會產生析鋰，所以這個在迅速加熱，電池在高溫下面進行快充直接就避免了析鋰，同時我們利用了快充的特點，也就是說這個電芯在高溫的時間是非常短的，整個生命週期當中大部分的時間都是在環境溫度，所以它的電池材料不受這個高溫的特別大的影響，所以我們用了這個技術以後，基本保持了一個電池材料既不受損害又完全避免了析鋰，所以讓快充能夠非常健康地進行。

整個過程具體是一個結構來完成的，就是在電極負極當中加一個非常薄的鎳箔，我們可以看到這個開關非常清楚，如果是閉合的狀態下從充電樁來的電流首先通過這個鎳箔把環境溫度升到60度左右，一旦高溫達到以後開關就打開了，充電電流就自然在高溫的情況下對電池材料進行充電了，所以這是一個相當簡單的一鍵操作的過程。

我們來看看實驗結果，把熱調控技術應用到標準的鋰離子電池，然後進行5分鐘的快充，放電就是按照剛纔我講過的這個複合曲線來進行放電，標準的飛行汽車的複合曲線來放電，我們可以得出兩種數據，一種是採用了熱調控技術之後，紅色的符號，另外一種就是不採用熱調控技術的，所以不採用的話析鋰現象非常嚴重，電芯大概循環到150次的樣子，它的容量損失已經超過20%，或者說容量保有量已經低於80%了，而一旦採用熱調控技術的話它的循環非常好，它的容量保有量在2千次的循環之後還有大於90%以上，所以是非常健康的快充過程。

然後我們把整個循環過程當中的電芯的SOC窗口給畫出來的話，我們也可以看得到紅色的是採用熱調控技術之後，你看它在充電之前或者說在使用落地之後基本上是在40%的樣子，5分鐘快充以後可以增加到80%以上，經過2千次的循環以後最低的SOC逐漸減少，但是它是非常有序地減少，即使在2千次以後我們還有30%多的SOC剩餘，充電之後有超過75%以上的SOC，所以它是一個非常簡單的老化過程。

充電之前的SOC對於飛行汽車來講是一個相對比較高的水平，比電動汽車要高很多，它要保持在40%左右，因爲我們在非常着落之後還要保證有一定的剩餘能量，用於緊急情況下在其他機場或者第二次降落的能量，所以對於飛行汽車電池的充電一個巨大的挑戰就是快充，它的初始SOC是非常高的，而不是接近於0。右邊的圖是畫出這個電池的最低電壓它充電之後在整個老化過程的變化，這個也是非常重要的，我們在整個2千次的循環過程當中採用了熱調控技術之後，它是非常逐漸緩慢的變化，假如不用這個熱調控技術的話，那麼在100、150次之後它的最低電壓已經低於300，已經不能用了。

假設把這個熱調控技術用於高能量的電池上，這個是271的，我們進行10分鐘充電，放電覆合還是跟剛纔一樣，高能量密度同樣在經過2千次循環以後它的容量保有量還是高於80%的，也就是說它的壽命還是要大於2千次的，SOC的最低值和最高值也是在有序變化，從40%一直大概到2千次老化之後還有25%的SOC，這個是我們飛行汽車電池包最低的剩餘能量，要緊急用的能量，所以它的整個壽命還是2千次，最低電壓的變化也是非常有序的在衰減。所以壽命總共是有2千次以上。

我們把剛纔的一些結果總結一下，把飛行汽車電池跟電動汽車電池相比較的話可以看得出這些特點，它的平均放電速率是電動汽車的3到10倍，每年的循環次數比電動汽車大很多，飛行汽車是1600次，它是商用的，非常頻繁地使用，飛行汽車幾乎90%以上的時間是在使用快充，而電動汽車大概少於20%的機會在使用快充，安全要求也是不一樣，安全要高的多，所以把所有的特性和性能指標放在這兩張圖上，紅色的就是飛行汽車電池的要求，它的挑戰是非常大的，相比之下藍色的是電動汽車的要求，相對來講不是太大的挑戰了。

最後我們總結一下，飛行汽車電池所需要的能量密度是要大於270千瓦每公斤，最好是沒有熱管理的電池系統，在起飛和降落之間需要大功率大概要達到1C的放電速率，充電快充要3C以上，對於壽命要求非常高，因爲這樣纔有盈利的可能性，同時對於安全要比電動汽車大的多，所以我們把這些所有的要求仔仔細細總結一下我們寫了一篇很詳細的，對於電動汽車電池展望的文章，這個文章作爲封面文章在期刊上面進行了發表，所以如果大家想了解更多詳細的情況可以閱讀這篇文章，謝謝大家！

（注：本文根據現場速記整理，未經演講嘉賓審閱）