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)明家科學院院士、賓夕法尼亞州立大學電化學發(fā)動機中心主任王朝陽教授告訴 DeepTech。 6 月 7 日，王朝陽團隊在《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的需求。
論文標題為《電動垂直起降飛機電池的挑戰(zhàn)及關鍵要求》“Challenges and key requirements of batteriesfor electric vertical takeoff and landing aircraft”，其中王朝陽擔任通訊作者。

王朝陽發(fā)現，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行的關鍵，只有這樣才能既降低成本、同時實現最大化營收。

 當前，電動汽車電池使用快充技術的場景，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。 計算可得出，一塊飛行汽車電池，在一年內要完成約 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，王朝陽使用熱調控快速充電技術，解決了飛行汽車電池的快速充電問題。在論文中，該團隊展示了兩種高比能電池（215Wh/kg 和 271Wh/kg）在飛行汽車應用場景下的快充技術。

相比傳統電動汽車電池，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中，司機必須在乘客換乘時，在 5-10 分鐘內就把電充滿。

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

而該團隊發(fā)明的新電池，正是基于熱調控原理，王朝陽把一片 10 微米的鎳箔，放進電池芯中作為發(fā)熱體，電池自身能量可讓電芯極速升溫，通過熱調控技術即可實現電池無損傷快充和大功率輸出。

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

利用該技術，該團隊開展了電動垂直起降（Electric vertical takeoff and landing，eVTOL）場景下的快充循環(huán)實驗，每個循環(huán)包含一次熱調控快充和一次模擬 80 公里飛行距離的放電。

結果顯示，以一款 215Wh/kg 的電池為例，搭載熱調控技術的電池，可在 5 分鐘內充滿 80 公里飛行距離所需的能量，且電池壽命可達到 3800 次循環(huán)。

對于更高能量密度的 271 Wh/kg 電池，搭載熱調控技術的電池可在 10 分鐘內充滿電，壽命可達 2000 次循環(huán)。據該團隊介紹，這是截止目前已報道的飛行汽車電池快充實驗中的最好成果。 飛行汽車在起飛和降落時都是垂直的，在這兩個時間段中，需要極大的功率。這時，采用熱刺激方法，可讓飛行汽車獲得高出平時 3-5 倍的功率。

當前，世界先進國家都有飛行汽車計劃，未來社會也是一個電動化社會，到處都需要電池。單就熱調控快速充電技術，該團隊已申請一百多項專利。

事實上，熱調控快充技術用于新能源電動汽車已經五年有余，該技術可解決電動汽車冬季趴窩的問題，并被 2022 年冬奧會采用，屆時就會展示給全球觀眾。而把該技術用于飛行汽車，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數據，本次研究均已實現。

電池要想在空中使用，必須得具備高能量密度，而他們讓電池實現了 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。在上述兩個條件下，壽命還可達到 2000 個循環(huán)。

只有這樣，才能滿足第一代飛行汽車的需求。同時，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 瓦時每公斤，成本可降至 0.35 元人民幣每瓦時。

屆時，飛行汽車充一次電大約可飛行 120-150 公里，電池造價也更便宜。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 20 年才能得到這些飛行汽車?！?/span>

當前全球大概有一百多個飛行汽車初創(chuàng)公司，大型企業(yè)美國波音公司、歐洲空中客車公司（Airbus）也都有相關研發(fā)團隊。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，因為飛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，從陸地無人駕駛技術來看，飛行汽車的無人駕駛會更容易研發(fā)，因為后者無需考慮樹木等地面障礙物。 至于飛行汽車和小型直升機的區(qū)別，他表示由于天空是三維的，因此可把 500 米的高度設置為飛行汽車軌道，1000 米高度設置為小飛機軌道，更高的高度可設置為客機軌道，同時它們的交通規(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，甚至直接讓無人機進行配送也有望實現。

按照美國現在的模式，城市大樓上會設有飛行汽車?？空荆皇欠奖愠丝蜕舷萝?、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，飛行汽車就可進行充電，同時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場，乘電梯到頂樓?？空?，坐上飛行汽車只需 15 分鐘就能降落在首都機場。”

幾年前，王朝陽在美國創(chuàng)辦了鋰電池公司 EC Power，主業(yè)務是研發(fā)新型電池，并有一個用于打樣的小工廠，做成樣品后讓廠商來試用。 假如廠商預估市場前景不錯，EC Power 就會把授權技術許可給其他公司，從而把新技術引入市場。比如，此前他就把全氣候電池技術授權給寶馬公司。而他創(chuàng)辦的另一家公司 Autolion，已于 2018 年被并購。 王朝陽認為，在接下來 50-100 年之間，鋰電池應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現真正的高能量密度。盡管給電池做精細分類之后，它們會有各種各樣的名稱，但都是鋰電池。而中國要想實現碳中和，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發(fā)布的全球前 2% 頂尖科學家榜單（World’s Top 2% Scientists 2020）， 名次在前五十名中。該榜單的統計范圍為 1969 年-2019 年，主要考量科學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域有關，能源學科要遵守能量守恒定律，他把這稱作 “誠實的能源”，因此在能源學科中沒有捷徑，只有踏踏實實地做研究，持之以恒。

自 1994 年起，王朝陽開始做新能源電池，雖然新能源在當下很火，但在其研究生涯中，新能源也經過了幾起幾落。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，參加過多次由現任中國科協主席萬鋼主持召開的新能源汽車世界大會，并擔任該大會技術委員會的委員。對于國內汽車新能源行業(yè)的發(fā)展，更是保持著隨時關注。

王朝陽告訴 DeepTech，從絕對數量上來講，新能源汽車在快速增長，因為全球汽車行業(yè)都在往電動化和智能化轉變。傳統車企如福特、通用和大眾，都宣布在 2030 年到 2035 年不再生產燃油車。
 
因此，燃油車轉向電動車已成定局?，F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，就是一個巨大市場。
 
同時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，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，而且當技術進一步發(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，當能量達到如此之高，安全性也會堪憂。
 
因此，能源科學沒有 “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。此外，節(jié)能依舊是是電動汽車及碳中和的第一位。 -End-