王朝陽院士創(chuàng)飛行汽車電池性能記錄，充電速度是特斯拉的4倍！電池壽命可達(dá)到3800次循環(huán) | 專訪

談及最近剛發(fā)表的飛行汽車電池成果，美國國家發(fā)明家科學(xué)院院士、賓夕法尼亞州立大學(xué)電化學(xué)發(fā)動機(jī)中心主任王朝陽教授告訴 DeepTech。 6 月 7 日，王朝陽團(tuán)隊(duì)在《焦耳》（Joule）發(fā)文探討了電動飛行汽車對動力電池各類性能參數(shù)的需求。
論文標(biāo)題為《電動垂直起降飛機(jī)電池的挑戰(zhàn)及關(guān)鍵要求》“Challenges and key requirements of batteriesfor electric vertical takeoff and landing aircraft”，其中王朝陽擔(dān)任通訊作者。

王朝陽發(fā)現(xiàn)，在縮小飛行器和電池包尺寸的前提下，電池快充能力是保證飛行汽車在早晚高峰間無間斷運(yùn)行的關(guān)鍵，只有這樣才能既降低成本、同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大化營收。

 當(dāng)前，電動汽車電池使用快充技術(shù)的場景，不超過所有充電場景的 10%，而飛行汽車電池在 90% 的場景中都需要快充。 計(jì)算可得出，一塊飛行汽車電池，在一年內(nèi)要完成約 1600 次滿充滿放循環(huán)，這等于續(xù)航 400 公里的電動汽車在一年內(nèi)行駛 64 萬公里。這會給飛行汽車電池的充電能力和循環(huán)壽命，帶來極為苛刻的要求。
為此，王朝陽使用熱調(diào)控快速充電技術(shù)，解決了飛行汽車電池的快速充電問題。在論文中，該團(tuán)隊(duì)展示了兩種高比能電池（215Wh/kg 和 271Wh/kg）在飛行汽車應(yīng)用場景下的快充技術(shù)。

相比傳統(tǒng)電動汽車電池，飛行汽車電池要在更高的放電倍率下，釋放更大的比能量，且要具備更好的安全性。更重要的是，緩解城市交通擁堵是飛行汽車的主要使命，因此其主要工作分別是早高峰 6：00-10：00、以及晚高峰 16：00-20：00。
對飛行汽車來講時(shí)間就是金錢，尤其是飛行出租車，在打車早晚高峰期的幾小時(shí)中，司機(jī)必須在乘客換乘時(shí)，在 5-10 分鐘內(nèi)就把電充滿。

采用高溫快充方法，王朝陽不僅實(shí)現(xiàn)了電池快充，還可避免析鋰這一電池快充的最大殺手。同時(shí)，該方法可縮短電池處于高溫的時(shí)間，從而避免材料老化、進(jìn)而保證循環(huán)壽命。

而該團(tuán)隊(duì)發(fā)明的新電池，正是基于熱調(diào)控原理，王朝陽把一片 10 微米的鎳箔，放進(jìn)電池芯中作為發(fā)熱體，電池自身能量可讓電芯極速升溫，通過熱調(diào)控技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)電池?zé)o損傷快充和大功率輸出。

 王朝陽表示，熱調(diào)控快速充電技術(shù)的核心思想是 “高溫（60oC）充電，環(huán)境溫度放電”。

利用該技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)開展了電動垂直起降（Electric vertical takeoff and landing，eVTOL）場景下的快充循環(huán)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)循環(huán)包含一次熱調(diào)控快充和一次模擬 80 公里飛行距離的放電。

結(jié)果顯示，以一款 215Wh/kg 的電池為例，搭載熱調(diào)控技術(shù)的電池，可在 5 分鐘內(nèi)充滿 80 公里飛行距離所需的能量，且電池壽命可達(dá)到 3800 次循環(huán)。

對于更高能量密度的 271 Wh/kg 電池，搭載熱調(diào)控技術(shù)的電池可在 10 分鐘內(nèi)充滿電，壽命可達(dá) 2000 次循環(huán)。據(jù)該團(tuán)隊(duì)介紹，這是截止目前已報(bào)道的飛行汽車電池快充實(shí)驗(yàn)中的最好成果。 飛行汽車在起飛和降落時(shí)都是垂直的，在這兩個(gè)時(shí)間段中，需要極大的功率。這時(shí)，采用熱刺激方法，可讓飛行汽車獲得高出平時(shí) 3-5 倍的功率。

當(dāng)前，世界先進(jìn)國家都有飛行汽車計(jì)劃，未來社會也是一個(gè)電動化社會，到處都需要電池。單就熱調(diào)控快速充電技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)已申請一百多項(xiàng)專利。

事實(shí)上，熱調(diào)控快充技術(shù)用于新能源電動汽車已經(jīng)五年有余，該技術(shù)可解決電動汽車冬季趴窩的問題，并被 2022 年冬奧會采用，屆時(shí)就會展示給全球觀眾。而把該技術(shù)用于飛行汽車，本次研究屬于首次展示。

王朝陽告訴 DeepTech，飛行汽車電池必須要滿足幾個(gè)數(shù)據(jù)，本次研究均已實(shí)現(xiàn)。

電池要想在空中使用，必須得具備高能量密度，而他們讓電池實(shí)現(xiàn)了 271Wh/kg 的高能量密度。在高能量密度下，該電池可在 5-10 分鐘充滿，并具備飛行 80 公里所需的能量。在上述兩個(gè)條件下，壽命還可達(dá)到 2000 個(gè)循環(huán)。

只有這樣，才能滿足第一代飛行汽車的需求。同時(shí)，王朝陽也正在研究第二代飛行電池，希望把電池能力密度提升至 350-400 瓦時(shí)每公斤，成本可降至 0.35 元人民幣每瓦時(shí)。

屆時(shí)，飛行汽車充一次電大約可飛行 120-150 公里，電池造價(jià)也更便宜。他告訴媒體：“我希望這篇論文能讓人們相信，我們不需要再花費(fèi) 20 年才能得到這些飛行汽車?！?/span>

當(dāng)前全球大概有一百多個(gè)飛行汽車初創(chuàng)公司，大型企業(yè)美國波音公司、歐洲空中客車公司（Airbus）也都有相關(guān)研發(fā)團(tuán)隊(duì)。早在 2019 年初，波音公司就已完成電動垂直起降車的首次試飛。

 王朝陽表示，飛行汽車是未來解決大城市擁堵的最主要交通工具之一，因?yàn)轱w行汽車等于從地面二維空間、上升至空中三維空間，這等于擴(kuò)寬了都市出行的可能性。以北京、上海為例，在地面上幾乎沒有可能增加汽車容量，因此未來只能向空間交通發(fā)展。 目前，全球尚未出臺飛行汽車的交通規(guī)則，但他預(yù)測規(guī)則會更簡單，天空比地面空曠得多，不太容易碰到其他交通工具。另外，從陸地?zé)o人駕駛技術(shù)來看，飛行汽車的無人駕駛會更容易研發(fā)，因?yàn)楹笳邿o需考慮樹木等地面障礙物。 至于飛行汽車和小型直升機(jī)的區(qū)別，他表示由于天空是三維的，因此可把 500 米的高度設(shè)置為飛行汽車軌道，1000 米高度設(shè)置為小飛機(jī)軌道，更高的高度可設(shè)置為客機(jī)軌道，同時(shí)它們的交通規(guī)則也不相同。 以空中配送為例，在未來空中騎手到你窗戶旁，就能把快遞送給你，快遞員也可省去地面配送之苦，甚至直接讓無人機(jī)進(jìn)行配送也有望實(shí)現(xiàn)。

按照美國現(xiàn)在的模式，城市大樓上會設(shè)有飛行汽車停靠站，一是方便乘客上下車、以及飛行汽車的起飛和降落，二是可放置充電樁。乘客一下車，飛行汽車就可進(jìn)行充電，同時(shí)乘客都可通過大樓電梯上下車。

他向 DeepTech 舉例稱：“未來假如要去北京首都機(jī)場，乘電梯到頂樓?？空荆巷w行汽車只需 15 分鐘就能降落在首都機(jī)場。”

幾年前，王朝陽在美國創(chuàng)辦了鋰電池公司 EC Power，主業(yè)務(wù)是研發(fā)新型電池，并有一個(gè)用于打樣的小工廠，做成樣品后讓廠商來試用。 假如廠商預(yù)估市場前景不錯(cuò)，EC Power 就會把授權(quán)技術(shù)許可給其他公司，從而把新技術(shù)引入市場。比如，此前他就把全氣候電池技術(shù)授權(quán)給寶馬公司。而他創(chuàng)辦的另一家公司 Autolion，已于 2018 年被并購。 王朝陽認(rèn)為，在接下來 50-100 年之間，鋰電池應(yīng)該仍舊是最主流的電池，鋰是最輕的金屬，并且含有很高的容量。

此外，金屬電池、固態(tài)電池等電池，必須使用鋰金屬才能實(shí)現(xiàn)真正的高能量密度。盡管給電池做精細(xì)分類之后，它們會有各種各樣的名稱，但都是鋰電池。而中國要想實(shí)現(xiàn)碳中和，鋰電池和氫能燃料電池扮演著重要角色。

最近，王朝陽上榜了美國斯坦福大學(xué)發(fā)布的全球前 2% 頂尖科學(xué)家榜單（World’s Top 2% Scientists 2020）， 名次在前五十名中。該榜單的統(tǒng)計(jì)范圍為 1969 年-2019 年，主要考量科學(xué)家長期的論文影響力，如論文引用量等。

談及自己上榜，王朝陽說其一跟自己從事的領(lǐng)域有關(guān)，能源學(xué)科要遵守能量守恒定律，他把這稱作 “誠實(shí)的能源”，因此在能源學(xué)科中沒有捷徑，只有踏踏實(shí)實(shí)地做研究，持之以恒。

自 1994 年起，王朝陽開始做新能源電池，雖然新能源在當(dāng)下很火，但在其研究生涯中，新能源也經(jīng)過了幾起幾落。此外，和他合作過的博士生，也在不斷給其提供新想法。

作為常年在海外的溫州人，疫情之前每年他都會回國幾次，參加過多次由現(xiàn)任中國科協(xié)主席萬鋼主持召開的新能源汽車世界大會，并擔(dān)任該大會技術(shù)委員會的委員。對于國內(nèi)汽車新能源行業(yè)的發(fā)展，更是保持著隨時(shí)關(guān)注。

王朝陽告訴 DeepTech，從絕對數(shù)量上來講，新能源汽車在快速增長，因?yàn)槿蚱囆袠I(yè)都在往電動化和智能化轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)車企如福特、通用和大眾，都宣布在 2030 年到 2035 年不再生產(chǎn)燃油車。
 
因此，燃油車轉(zhuǎn)向電動車已成定局。現(xiàn)在電動車僅占 5% 的市場份額，即便全球人口增長放緩，光把電動車替換燃油車，就是一個(gè)巨大市場。
 
同時(shí)智能駕駛和無人駕駛的普及，也讓汽車不再是很多家庭的必備品，即可以使用共享汽車。目前私家車的使用頻率只有 5%-10%。而在使用共享汽車時(shí)，盡管汽車使用量會下降，但是使用頻率會增加。
 
2021 年初以來，不少大廠都表示要造車。王朝陽表示這種熱情是好的，但是車企不能忽視能量守恒定律。
他舉例稱，未來電動汽車可以充電一次可續(xù)航 1000 公里，而且當(dāng)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展后，有可能把電池包做到很小，但是開 1000 公里就必須得有 150 度電的能量，那必須付出很高成本、以及消耗大量原材料。與此同時(shí)，當(dāng)能量達(dá)到如此之高，安全性也會堪憂。
 
因此，能源科學(xué)沒有 “花花繞”，必須牢記能量守恒定律。王朝陽說，假如我們多想想能量守恒定律，就能避免很多不該有的浪費(fèi)。此外，節(jié)能依舊是是電動汽車及碳中和的第一位。 -End-