在WE大会看见出行未来:告别拥堵,15分钟飞到办公室

脑极体

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· 11月11日

变身完美电池要攀登的珠峰。

文 | 脑极体

从年初到年尾,我们发现,今年的各种大会都在着重强调碳达峰、碳中和的目标与议题,无论是国家级战略层面的考虑还是保护环境人文主义关怀的目的,绿色可持续的发展之路已经是大势所趋。减少碳排放,实现双碳目标以应对气候的变化正在成为全球共识。

这些共识的达成来源于近些年人类惨痛的经历。我们在全球都看到了暴雨肆虐、洪水频发的现象;澳洲七个多月的山火几乎烧尽了森林里的所有,数以亿计的动物被烧死,临近的居民流离失所;南北极的冰盖面积不断的减少。这些频繁的极端气候带来的灾害都在不断提醒着我们,不要再纸上谈兵了,该做出改变了。技术不断升级延伸,在保护自然的生态平衡方面也有施展的天地,也许我们该抽离一些聚焦在人类自我发展的目光抬头看看身处的环境、地球与宇宙。

今年腾讯的科学WE大会,也跳脱出局限在人类自身发展的目光,以“洞天”为主题带领公众望向辽阔的星辰与大海:WE大会有天体物理的黑洞探索,连接大脑的意念打字、深入万米海域的软体机器人等。

在这些前沿知识的分享盛宴中,笔者注意到跟能源与飞行汽车相关的议题,而在此前脑极体也有能源电池与相关飞行汽车内容的输出呈现。此次WE大会带来的电池储能与快充方面的最前沿突破讯息,对之前的飞行汽车和电池内容有很好的补充,还是很值得给读者朋友们分享的。

储能与快充的必要

社会各界为什么要反反复复讨论电池快充和储能技术?我们知道人类活动导致的碳排主要来源于化石燃料的消耗。为解决传统化石能源带来的能源危机与污染问题,需要开发和应用更加高效、清洁的可再生能源。在自然界我们知道一些可再生能源比如太阳能、风能、水能等,都是间歇性能源。什么意思呢?就是这些能源的获取需要相应的条件,不能连续绵延不断的产能,因此只有通过储能,才能整合可再生能源,实现连续的、有效的能源利用。

储能也是实现碳中和的有效的手段之一。拿水力发电来说,在汛期的时候,南方比如四川的很多地方水力发电带来的电力能源丰富,甚至在汛期有很多的能源都浪费掉了。在枯水期,大规模使用电力资源的时候,需要再运用火力发电、输能等方式获得电力。如果在汛期运用储能的方式将这些电力资源储备起来,枯水期的时候使用,不用花费财力、能耗生产电力,也能减少能源输送的损耗。这种对可再生能源的储存利用可以增强电力供应的弹性和质量,减少碳能源的消耗。

再比如人手必备的手机,五年前充满电需要六七个小时,现在一个小时的快充就可以充满电了,充电五分钟通话两小时的广告与体验也深入人心。能源的转换与效率得到了极大地提升,3C数码、新能源汽车、航空航天等都离不开电池与快充技术的支持。纵观新能源汽车的发展,我们可以发现新能源汽车的里程不断突破纪录,从2017年300公里的续航到如今突破千公里级别,以前横亘在消费者心中的里程焦虑逐步瓦解。里程续航的问题解决了,电动车汽车的快充与抗冻是消费者的新需求。

而这个需求也有成果涌现,在WE大会上,宾夕法尼亚州立大学材料与工程学教授王朝阳介绍,其关于全气候电池(ACB)技术的研究成果已被2022年北京冬奥运会采用。我们知道新能源汽车冬天趴窝的特性几乎是阻挡新用户和折磨老用户出行的拦路虎。冬天北方的低温几乎干掉所有想要驰骋的新能源汽车,主要的原因就是跟电动车电池性能有关。电动车主要搭载的电池是锂离子电池,而低温会让锂离子电池的性能下降,当温度降到一定程度,电池内部电解液的黏度会像蜂蜜一样增大甚至凝固,使电池无法正常工作。如果解决掉这个关键的问题,新能源汽车的规模发展将革新重塑汽车百年的行业。

但是让锂电池具有良好的低温性能,同时又安全性高、成本低、充电速度快,是该领域内一个高难度的挑战。

变身完美电池要攀登的珠峰

电池的发展已经走过快两百年的历史,如今锂离子电池是最为出众的二次储能电池,因为其高工作电压、快速充放电特性、长循环寿命、无记忆效应等众多优点,成为当今数码产品及电动汽车大规模应用的第一选择,其他的作为储能的电池也有铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池等。

虽然锂离子电池的性能优秀但发展也有其难以跨越的挑战与障碍。电池与储能技术目前面临的挑战主要包括:

1.对原材料的要求,对于自然界中的间歇性能源和人类数智产品的需求,需要开发大规模的高效储能装置,这个需求庞大,需要非常丰富以及成本低廉的原材料。

2.安全性的要求,关于电池的爆炸新闻以及带来的损失,让人心有余悸,无论是在驰骋的电动车还是各种数码产品,高能易燃的电池都离人类太近,需要其极高的安全性以保障人们的生命财产安全

3.对电池性能的要求,极端的环境下必须保持良好的性能、寿命以及安全性,比如在高温天气和低温天气中,如何保障电池正常的工作。

电池的结构特性局限了电池的性能,现有的电池结构是电池衰老和存在安全隐患的根本原因。电池发电的原理是两个电极材料在电解液中相互交换离子,但是因为这个结构也会使得其反应界面一直存在,电池一直在工作容易衰老并且也有安全隐患。

想要让电池低温高活性与高温稳定性的需求矛盾无解,举例来说,电动汽车在冬天趴窝就是因为电池在低温情境下,性能失效的缘故。材料科学家和电池工程师在电池材料上提出了许多办法。例如在电解液当中掺入大量有机溶剂,来降低电解液的凝固温度。然而这样却造成电解液更加易燃,牺牲了电池的安全性。也有科学家尝试更换电极材料,但是电池的能量提升了,却无法抵抗热失控;快充的话,又会导致电池界面的火性太高,也无法保障其安全性。从优化电池管理的系统思路上解决,却带来了能量密度的下降与单位成本的增加。

似乎电池也有鱼和熊掌不能兼得的障碍,能量密度、安全、快速充电等特点不能完美的集成在电池身上。

动力电池:逐渐消失的消费制约

面对里程焦虑与电量焦虑,王朝阳院士的团队带来了新的解决方案——全天候电池。对于低温下锂电池如何保持良好的性能同时安全性与能量密度损失较小,现在的解决方案原理是通过可行性的热调控,利用瞬间热刺激,把电池内部的电化学界面调大调强,这个过程大概需要10~30秒钟,大约消耗1%~3%的电量。

电池在不用的时候,化学界面保持最低的水平,保障电池的绝对安全和最低的老化速率,工作的时候用热刺激把电池里面的反应界面瞬间调大、调强提供高功率快充能力,使其在低温环境保持良好的性能。电池工作完成后,自然状态下,温度在5分钟之内降到室外温度,回到安全稳定的初始状态。而这个调控原理适用于所有化学和材料体系,包括锂离子电池,锂金属电池,全固态电池。

全气候电池克服电池低温问题,彻底解决了电动汽车在冬季续驶里程急剧下降、无法启动、性能衰减、安全隐患等诸多难题,对电动汽车的发展具有里程碑的意义。在2022年的冬奥会上,全天候电池也会成为冬奥会电动汽车的抗冻“心脏”, 该技术也入选了2022年度汽车十大技术趋势之一。

电动汽车要满足冬奥会低温环境的出行需求外,还需快速充电的能力。王朝阳院士在2019年发布的一项快充技术,10分钟充电可让电动汽车充满80%,续航300公里到400公里,并且经过2500次充放电后,电池容量只有8.3%的损耗。而在当前的电池技术水平下,即使快充也需要30分钟,充电到电池容量的80%;慢充则需要6-8小时,要想把电池充到100%则需要更久的时间。

要实现快充,电池的活性必须足够高,使用电池自加热技术可以实现,有效地减少车载电池成本和原材料的消耗。而现在全气候电池已经可以做到。不过全天候电池并不是终极电池的模样。王朝阳院士介绍称,第二代热调控磷酸铁锂电池在研发的路上。目前实验的进度已经做到了300瓦时每公斤的能量密度,而成本据悉有望降至每瓦3毛5,不需要热管理系统。可以10分钟快充,不怕冷,不含钴等污染元素。

终极电池的模样也会加快飞行汽车的到来。飞行汽车可以实现商业化,最重要的先决条件是高能量密度和快速补能的电池技术,而二代热调控磷酸铁锂实验开了个好头,其可行性和经济性有希望实现飞行汽车落地的可能。

电池这些前沿技术的变化也给业界电池的发展探索带来了新的思路。快充电池的突破发展也是电动汽车的里程碑,未来大规模应用下,电动汽车的消费就不再有各种顾虑。新能源电动车将会全面替代燃油车,不仅降低能源的消耗也会更快地实现碳中和的目标。

在WE大会上,王朝阳院士称未来退休前的梦想是让私人飞行汽车在15分钟内把人送到办公室。这个梦想我想也是所有人想要实现的未来,炫酷的飞行汽车会作为公共交通的补充普惠给大众,让出行更加简单。

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