從年初到年尾，我們發(fā)現(xiàn)，今年的各種大會(huì)都在著重強(qiáng)調(diào)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)與議題，無論是國家級(jí)戰(zhàn)略層面的考慮還是保護(hù)環(huán)境人文主義關(guān)懷的目的，綠色可持續(xù)的發(fā)展之路已經(jīng)是大勢所趨。減少碳排放，實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)以應(yīng)對(duì)氣候的變化正在成為全球共識(shí)。
這些共識(shí)的達(dá)成來源于近些年人類慘痛的經(jīng)歷。我們在全球都看到了暴雨肆虐、洪水頻發(fā)的現(xiàn)象;澳洲七個(gè)多月的山火幾乎燒盡了森林里的所有，數(shù)以億計(jì)的動(dòng)物被燒死，臨近的居民流離失所;南北極的冰蓋面積不斷的減少。這些頻繁的極端氣候帶來的災(zāi)害都在不斷提醒著我們，不要再紙上談兵了，該做出改變了。技術(shù)不斷升級(jí)延伸，在保護(hù)自然的生態(tài)平衡方面也有施展的天地，也許我們該抽離一些聚焦在人類自我發(fā)展的目光抬頭看看身處的環(huán)境、地球與宇宙。
今年騰訊的科學(xué)WE大會(huì)，也跳脫出局限在人類自身發(fā)展的目光，以“洞天”為主題帶領(lǐng)公眾望向遼闊的星辰與大海：WE大會(huì)有天體物理的黑洞探索，連接大腦的意念打字、深入萬米海域的軟體機(jī)器人等。
在這些前沿知識(shí)的分享盛宴中，筆者注意到跟能源與飛行汽車相關(guān)的議題，而在此前腦極體也有能源電池與相關(guān)飛行汽車內(nèi)容的輸出呈現(xiàn)。此次WE大會(huì)帶來的電池儲(chǔ)能與快充方面的最前沿突破訊息，對(duì)之前的飛行汽車和電池內(nèi)容有很好的補(bǔ)充，還是很值得給讀者朋友們分享的。
儲(chǔ)能與快充的必要
社會(huì)各界為什么要反反復(fù)復(fù)討論電池快充和儲(chǔ)能技術(shù)?我們知道人類活動(dòng)導(dǎo)致的碳排主要來源于化石燃料的消耗。為解決傳統(tǒng)化石能源帶來的能源危機(jī)與污染問題，需要開發(fā)和應(yīng)用更加高效、清潔的可再生能源。在自然界我們知道一些可再生能源比如太陽能、風(fēng)能、水能等，都是間歇性能源。什么意思呢?就是這些能源的獲取需要相應(yīng)的條件，不能連續(xù)綿延不斷的產(chǎn)能，因此只有通過儲(chǔ)能，才能整合可再生能源，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的、有效的能源利用。
儲(chǔ)能也是實(shí)現(xiàn)碳中和的有效的手段之一。拿水力發(fā)電來說，在汛期的時(shí)候，南方比如四川的很多地方水力發(fā)電帶來的電力能源豐富，甚至在汛期有很多的能源都浪費(fèi)掉了。在枯水期，大規(guī)模使用電力資源的時(shí)候，需要再運(yùn)用火力發(fā)電、輸能等方式獲得電力。如果在汛期運(yùn)用儲(chǔ)能的方式將這些電力資源儲(chǔ)備起來，枯水期的時(shí)候使用，不用花費(fèi)財(cái)力、能耗生產(chǎn)電力，也能減少能源輸送的損耗。這種對(duì)可再生能源的儲(chǔ)存利用可以增強(qiáng)電力供應(yīng)的彈性和質(zhì)量，減少碳能源的消耗。
再比如人手必備的手機(jī)，五年前充滿電需要六七個(gè)小時(shí)，現(xiàn)在一個(gè)小時(shí)的快充就可以充滿電了，充電五分鐘通話兩小時(shí)的廣告與體驗(yàn)也深入人心。能源的轉(zhuǎn)換與效率得到了極大地提升，3C數(shù)碼、新能源汽車、航空航天等都離不開電池與快充技術(shù)的支持?？v觀新能源汽車的發(fā)展，我們可以發(fā)現(xiàn)新能源汽車的里程不斷突破紀(jì)錄，從2017年300公里的續(xù)航到如今突破千公里級(jí)別，以前橫亙在消費(fèi)者心中的里程焦慮逐步瓦解。里程續(xù)航的問題解決了，電動(dòng)車汽車的快充與抗凍是消費(fèi)者的新需求。
而這個(gè)需求也有成果涌現(xiàn)，在WE大會(huì)上，賓夕法尼亞州立大學(xué)材料與工程學(xué)教授王朝陽介紹，其關(guān)于全氣候電池(ACB)技術(shù)的研究成果已被2022年北京冬奧運(yùn)會(huì)采用。我們知道新能源汽車冬天趴窩的特性幾乎是阻擋新用戶和折磨老用戶出行的攔路虎。冬天北方的低溫幾乎干掉所有想要馳騁的新能源汽車，主要的原因就是跟電動(dòng)車電池性能有關(guān)。電動(dòng)車主要搭載的電池是鋰離子電池，而低溫會(huì)讓鋰離子電池的性能下降，當(dāng)溫度降到一定程度，電池內(nèi)部電解液的黏度會(huì)像蜂蜜一樣增大甚至凝固，使電池?zé)o法正常工作。如果解決掉這個(gè)關(guān)鍵的問題，新能源汽車的規(guī)模發(fā)展將革新重塑汽車百年的行業(yè)。
但是讓鋰電池具有良好的低溫性能，同時(shí)又安全性高、成本低、充電速度快，是該領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)高難度的挑戰(zhàn)。
變身完美電池要攀登的珠峰
電池的發(fā)展已經(jīng)走過快兩百年的歷史，如今鋰離子電池是最為出眾的二次儲(chǔ)能電池，因?yàn)槠涓吖ぷ麟妷?、快速充放電特性、長循環(huán)壽命、無記憶效應(yīng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今數(shù)碼產(chǎn)品及電動(dòng)汽車大規(guī)模應(yīng)用的第一選擇，其他的作為儲(chǔ)能的電池也有鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池等。
雖然鋰離子電池的性能優(yōu)秀但發(fā)展也有其難以跨越的挑戰(zhàn)與障礙。電池與儲(chǔ)能技術(shù)目前面臨的挑戰(zhàn)主要包括：
1.對(duì)原材料的要求，對(duì)于自然界中的間歇性能源和人類數(shù)智產(chǎn)品的需求，需要開發(fā)大規(guī)模的高效儲(chǔ)能裝置，這個(gè)需求龐大，需要非常豐富以及成本低廉的原材料。
2.安全性的要求，關(guān)于電池的爆炸新聞以及帶來的損失，讓人心有余悸，無論是在馳騁的電動(dòng)車還是各種數(shù)碼產(chǎn)品，高能易燃的電池都離人類太近，需要其極高的安全性以保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。
3.對(duì)電池性能的要求，極端的環(huán)境下必須保持良好的性能、壽命以及安全性，比如在高溫天氣和低溫天氣中，如何保障電池正常的工作。
電池的結(jié)構(gòu)特性局限了電池的性能，現(xiàn)有的電池結(jié)構(gòu)是電池衰老和存在安全隱患的根本原因。電池發(fā)電的原理是兩個(gè)電極材料在電解液中相互交換離子，但是因?yàn)檫@個(gè)結(jié)構(gòu)也會(huì)使得其反應(yīng)界面一直存在，電池一直在工作容易衰老并且也有安全隱患。
想要讓電池低溫高活性與高溫穩(wěn)定性的需求矛盾無解，舉例來說，電動(dòng)汽車在冬天趴窩就是因?yàn)殡姵卦诘蜏厍榫诚拢阅苁У木壒?。材料科學(xué)家和電池工程師在電池材料上提出了許多辦法。例如在電解液當(dāng)中摻入大量有機(jī)溶劑，來降低電解液的凝固溫度。然而這樣卻造成電解液更加易燃，犧牲了電池的安全性。也有科學(xué)家嘗試更換電極材料，但是電池的能量提升了，卻無法抵抗熱失控;快充的話，又會(huì)導(dǎo)致電池界面的火性太高，也無法保障其安全性。從優(yōu)化電池管理的系統(tǒng)思路上解決，卻帶來了能量密度的下降與單位成本的增加。
似乎電池也有魚和熊掌不能兼得的障礙，能量密度、安全、快速充電等特點(diǎn)不能完美的集成在電池身上。
動(dòng)力電池：逐漸消失的消費(fèi)制約
面對(duì)里程焦慮與電量焦慮，王朝陽院士的團(tuán)隊(duì)帶來了新的解決方案——全天候電池。對(duì)于低溫下鋰電池如何保持良好的性能同時(shí)安全性與能量密度損失較小，現(xiàn)在的解決方案原理是通過可行性的熱調(diào)控，利用瞬間熱刺激，把電池內(nèi)部的電化學(xué)界面調(diào)大調(diào)強(qiáng)，這個(gè)過程大概需要10~30秒鐘，大約消耗1%~3%的電量。
電池在不用的時(shí)候，化學(xué)界面保持最低的水平，保障電池的絕對(duì)安全和最低的老化速率，工作的時(shí)候用熱刺激把電池里面的反應(yīng)界面瞬間調(diào)大、調(diào)強(qiáng)提供高功率快充能力，使其在低溫環(huán)境保持良好的性能。電池工作完成后，自然狀態(tài)下，溫度在5分鐘之內(nèi)降到室外溫度，回到安全穩(wěn)定的初始狀態(tài)。而這個(gè)調(diào)控原理適用于所有化學(xué)和材料體系，包括鋰離子電池，鋰金屬電池，全固態(tài)電池。
全氣候電池克服電池低溫問題，徹底解決了電動(dòng)汽車在冬季續(xù)駛里程急劇下降、無法啟動(dòng)、性能衰減、安全隱患等諸多難題，對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展具有里程碑的意義。在2022年的冬奧會(huì)上，全天候電池也會(huì)成為冬奧會(huì)電動(dòng)汽車的抗凍“心臟”， 該技術(shù)也入選了2022年度汽車十大技術(shù)趨勢之一。
電動(dòng)汽車要滿足冬奧會(huì)低溫環(huán)境的出行需求外，還需快速充電的能力。王朝陽院士在2019年發(fā)布的一項(xiàng)快充技術(shù)，10分鐘充電可讓電動(dòng)汽車充滿80%，續(xù)航300公里到400公里，并且經(jīng)過2500次充放電后，電池容量只有8.3%的損耗。而在當(dāng)前的電池技術(shù)水平下，即使快充也需要30分鐘，充電到電池容量的80%;慢充則需要6-8小時(shí)，要想把電池充到100%則需要更久的時(shí)間。
要實(shí)現(xiàn)快充，電池的活性必須足夠高，使用電池自加熱技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)，有效地減少車載電池成本和原材料的消耗。而現(xiàn)在全氣候電池已經(jīng)可以做到。不過全天候電池并不是終極電池的模樣。王朝陽院士介紹稱，第二代熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池在研發(fā)的路上。目前實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度已經(jīng)做到了300瓦時(shí)每公斤的能量密度，而成本據(jù)悉有望降至每瓦3毛5，不需要熱管理系統(tǒng)。可以10分鐘快充，不怕冷，不含鈷等污染元素。
終極電池的模樣也會(huì)加快飛行汽車的到來。飛行汽車可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，最重要的先決條件是高能量密度和快速補(bǔ)能的電池技術(shù)，而二代熱調(diào)控磷酸鐵鋰實(shí)驗(yàn)開了個(gè)好頭，其可行性和經(jīng)濟(jì)性有希望實(shí)現(xiàn)飛行汽車落地的可能。
電池這些前沿技術(shù)的變化也給業(yè)界電池的發(fā)展探索帶來了新的思路?？斐潆姵氐耐黄瓢l(fā)展也是電動(dòng)汽車的里程碑，未來大規(guī)模應(yīng)用下，電動(dòng)汽車的消費(fèi)就不再有各種顧慮。新能源電動(dòng)車將會(huì)全面替代燃油車，不僅降低能源的消耗也會(huì)更快地實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。
在WE大會(huì)上，王朝陽院士稱未來退休前的夢想是讓私人飛行汽車在15分鐘內(nèi)把人送到辦公室。這個(gè)夢想我想也是所有人想要實(shí)現(xiàn)的未來，炫酷的飛行汽車會(huì)作為公共交通的補(bǔ)充普惠給大眾，讓出行更加簡單。
文章來源：燕良 腦極體
（轉(zhuǎn)載）
