专家王朝阳:充电时间8分钟，续航1000km的电动车可信吗？
这碗“冷水”泼得正是时候。长续航实用吗？超大容量电池和超快充电能否满足安全要求？这些事关消费者痛点的问题，需要业内冷静分析。
我们连线了美国国家发明家学会院士、宾夕法尼亚州立大学机械工程、化学工程和材料科学与工程系讲座教授王朝阳，请他谈谈电动车电池的发展。
王朝阳的研究工作主要集中在运输、材料制造以及电池和燃料电池的建模方面，他拥有90多项专利(美国、中国、欧盟和日本)。他对全气候电池(ACB)技术的研究发表在《自然》杂志上，后来被2022年冬季奥运会选中，为奥运会电动汽车提供动力。他还在2019发布了一项快充技术，称充电10分钟可以让电动车充满80%，续航300 km到400 km，充放电2500次后电池容量只有8.3%的损耗。最近，王朝阳团队开发了一种热控磷酸铁锂电池(TMB)，可以满足低成本、超级安全、长寿命、全天候等需求。这一成果发表在世界顶级期刊《自然？能源杂志。
谈及电池的热点新闻，他反复强调能量守恒定律。他说，“所有的新闻，所有的发布或者我们正在听到的一些故事，如果我们用一个简单的能量守恒定律来分析，我们就可以知道它的真实性和可靠性。”
为什么是鸭子:最近，院士高批评了长电池寿命和超级快速充电。这是产业和实验室研究的错位吗？还是企业有一些夸大的成分？
王朝阳:这在科学和商业上都是有问题的。
商业问题很简单。如果续航1000公里，大概需要150千瓦时，那么即使充电150千瓦时需要10分钟，大概也需要900 kW充电功率的充电桩，目前还没有。最高功率的特斯拉第三代充电桩是250 kW，所以从商用的角度来说，
从科学的角度来说，也有一个很大的问题。这么长的续航里程，电池必须有很高的能量密度。比如六率收费，目前在科学上是不成立的，至少没有这样的报道，也没有经过同行科学家的评审。
其实有一个很简单的科学判断，就是三个数据必须共存，缺一不可。首先是充电时间；第二是充电后你获得多少能量或者续航里程；第三个数据是电池可以循环多少次，这也很重要。如果你快速充电，你会获得大量的能量，但你只会浪费一两次电池。这不是什么新技术，我们大一新生都会做。
这三个数据缺一不可。有了这个规则，基本上任何媒体或企业发布的消息都可以自己判断。
能源行业必须遵守能量守恒定律，即充电功率乘以充电时间就是多少能量。根据简单的能量守恒定律，我们可以立即计算出他们在谈论什么。
为什么鸭:大众对一些黑科技期望很高，希望有一个突破性的技术。
王朝阳:每个人都在期待它，但所有的黑科技都必须基于能量守恒定律。这是基本规则。如果发现黑科技是永动机，不符合能量守恒，这个技术问题就很大了。
为什么鸭子:我们来看看你刚刚发表的研究。这种低价电池和2019年6月发布的快充技术有什么根本区别？
王朝阳:最根本的区别是我们的研究集中在一个主题上，降低电池的成本。
我们只是希望电池的成本能降到和燃油发动机一样的水平，让大众市场的电动车普及起来。它对于减少碳排放的意义非常大。仅仅靠卖几千辆高端电动车是不可能实现碳中和的。
更形象简单的表达就是，我们可以通过将电池组小型化，然后将单位成本保持在一个相对较低的水平，来降低电池的整体成本。
这个方向正好和国内很多车企的方向相反，都是长续航。要研发一款续航1000公里的电池，续航150度的电池是什么概念？以现在的三元锂电池为例，一瓦是一块钱，这个150度的电池是15万人民币。这款车不是大众市场的电动车，电池成本太高。
另外，你带着这么大的电池到处跑。很危险，对吧？那是一个很大的能量包。
所以我们把以前的一些技术应用到了新的电池上，包括传统的磷酸亚铁锂在冬天表现不佳，所以我们的电池不受环境温度的影响，因为我们的必须提前预热到60度才能工作，它总能给你很好的表现。
这款全天候电池经过测试。这个电池是2022年冬奥会用的，有大量的整车测试结果，包括这些车队在东北黑河的测试结果。
为什么鸭:请了解一下全天候电池(自热电池)。
王朝阳:传统的锂离子电池特别怕冷。如果温度较低，锂离子在正极和负极之间的传输会受到很大阻碍，因此其性能会降低9倍，达到10次。
传统的方法是用外加热，但是耗能很大，也不是很直接。耗时较长，需要一个多小时，无法满足消费者即时使用的需求，冬季更无法快速充电。
我们的全天候电池是在电芯上加一块镍片，只有10微米的镍箔，能产生自热，使电池温度快速上升。虽然环境的温度在零度以下，但我们做到了每分钟60~200度的温升，而传统的外加热一般是每分钟0.5~1度，我们的速度提高了两个数量级。一般只需要几十秒的时间，电池就会发热，然后正常工作。
另外，经过大量的实验研究，我们发现这种自热方式消耗的能量非常少。
为什么鸭:这种方法本质上是主动控制，在不改变材料本身和安全性的情况下，可以快速使电池达到一个合适的充电温度，对吧？
王朝阳:是的。我们首先提出结构创新。传统的电池结构是正极、负极和隔膜，称为三段式结构。我们加了第四个组件，镍箔，放进去之后可以储能，可以自己调节温度。
为什么鸭:说到固态电池这个概念，我觉得有些公司已经在推这个产品了，但也有人说是半固态电池。请解释一下固态电池、三元电池和磷酸铁锂电池的本质区别。是液体和固体的区别吗？
王朝阳:固态电池真正的意义是用固体电解质代替我们传统的磷酸亚铁锂和三元电池中的电解质。但是固态电池的研发应该离真正的商业化还很远。
你可以从媒体报道或者公司发布的消息中看到，我们R&D的人员和企业基本上还没有搞清楚要做什么样的固态电池产品。
为什么这么说？我可以举几个例子。第一个例子，你可能经常在媒体上听到，固态电池的离子电导率太低，固-固界面电阻太高；同时你看到固态电池可以快速充电。这是矛盾的。内阻大的电池如何快速充电？那是不可能的。
有人说半固态电池，是指正极里有电解液，电池里还有一半以上的危险电解液残留。这能安全吗？
原因:包括丰田在内的一些大公司表示，他们未来将制造固态电池，因为固态电池更安全。
王朝阳:每个人都应该做固态电池，这被认为是下一个发展方向。每个企业都有自己的考量，不仅有科技发展的原因，还有企业的定位和投资的方向。但是固态电池就一定安全吗？我们有时候想当然的认为它是安全的，但是如果你真的去想，你会发现它有很多不安全的因素。
第一，如果一个公司的固态电池是150 kWh，那就是一个很大的能量包。就算是固态的，带着这么大的能量包到处跑也不安全。一旦放电，也就是电能全部放出，电池的温升应该在1500度以上。
即如果某一部分短路，瞬间释放电能，电池材料的温度在1500度以上，没有一种材料是安全的。即使瞬间放出10%的电，固态电池的温度达到180度，锂金属熔化。
为什么鸭:回到40 kWh的电池，小容量是不是更容易控制安全性？
王朝阳:我们发明的40千瓦时电池是目前市场上最安全的电池。第一，毕竟才40千瓦时。其次，它的阳极由磷酸亚铁锂制成，这是一种非常安全和热稳定的材料。第三，虽然我们也是石墨负极，但是因为我们是60度工作，所以可以让石墨颗粒变大，比表面积变小，这样也提高了安全性和热稳定性。第四，我们用的是低压电解液，因为磷酸亚铁锂里的电压只有3.6/3.7伏，三元是4.2/4.3伏，所以电解液更安全。
为什么是鸭子:还有一个概念需要解释。现在，石墨烯和石墨阳极是什么关系？石墨烯为什么是热点？
王朝阳:在大多数应用中，石墨烯只是一种导电剂，增加了电子导电性，所以用量很少，比如1%、2%、3%，而石墨是一种储能材料。比如这个石墨就是让你吃饱的东西，而石墨烯只是味精和调料。
为什么鸭:你认为未来应该如何选择三元锂电池和磷酸铁锂电池？
王朝阳:三元电池的能量密度更高，但缺点是安全性差，成本高。还需要钴。钴是战略金属，所以有明显的缺点。
电芯材料能量密度高后，安全性差，要在电池组上多做安全装置，防止三元电池不安全。在电池上加装另一个装置后，会降低整个系统的能量密度，所以150 kWh的电池肯定不会选择更重的磷酸亚铁锂，所以这辆车上很可能不会有乘客。电池做小了以后，磷酸亚铁锂是一个非常好的选择，因为它有不可比拟的优势，就是安全性特别好，成本特别低。
所以在不同的场合，这两种电池都会有用。最近在做飞行汽车的电池，也就是电动飞机的电池。未来，我们都可以乘坐飞行汽车去上班。飞行汽车可以使用三维交通网络到达目的地，不会发生交通堵塞。对于飞行汽车来说，三元电池会是首选，因为毕竟飞机是要飞起来的，对重量特别敏感。
我不能用小型化技术来制造飞行汽车的电池。五分钟充不了电，空中10分钟也充不了电，所以我觉得这两种技术在不同场合各有用处。
为什么鸭:我也很好奇飞行汽车，包括国内正在做这方面项目的公司。如果用燃油发动机做动力，不也一样吗？
王朝阳:目前，我们的飞行汽车垂直起飞和降落。它是大都市使用的交通工具，对污染和噪音非常敏感，所以使用燃油不是现在的一个发展方向。
在未来，飞机将是智能的和无人驾驶的。没有司机，可以节省座位的空间和人的重量。这样就必须配备比较大的计算机，有很多数据处理功能。这时候就需要大电池了。所以即使使用汽油机，也必须配备大电池。这种情况下，整体重量会超过纯电动方式。
燃油车向智能车转变有一个巨大的障碍，因为使用的一些传感器需要电控。包括刹车，动力控制会更快更准。
为什么鸭:说到未来趋势，丰田也在推氢电池电动车。在中国和北京，也有氢能源电池的试点项目。在你看来，氢能电池的趋势是什么？
王朝阳:我研究氢燃料电池已经超过十年了。它最大的问题是成本太高，还有一个问题是寿命不够。需要科学突破，把成本降低一个数量级，才谈得上商业化。目前离普通消费者还有一段距离。
在过去的20年里，世界上至少有20家公司，每家公司都在氢燃料电池上投资了差不多20亿美元。我的实验室在研发方面投入了大约3亿人民币，也写了一些这方面的论文，但是不敢有商业化的想法。
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