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新电池结构让飞行汽车成为可能

2021-11-08 09:43:07 | 来源: 科技日报 | 责编: 郑思雯
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  科技冬奥进行时

  搭载全气候电池的电动车将在北京冬奥会上亮相。在严寒地区连续三年进行的实地车队试验,已经充分验证了这种新型电池的性能和寿命。

  “锂电池不耐低温问题,已经得到解决。” 这项电池技术,来自美国国家发明家科学院院士王朝阳。他是动力电池、储能与燃料电池技术科学家。11月6日,王朝阳在腾讯WE大会上指出,储能技术是实现“双碳”目标和能源革命的关键核心技术,具有重大的战略意义。

  电池无处不在,新的电池技术,往往成为新产业崛起的关键。但是,200年来,电池结构其实没有太大变化。

  它由三种材料构成:负极材料、正极材料以及隔开两者的电解液。

  这种结构自然地形成了两个界面:一个存在于正极材料和电解液之间,另一个在负极材料和电解液之间。两种界面之间存在着电势差,也就给出了电池的电压。

  “无论我们是否在使用电池,电池内的反应界面一直在勤奋和活跃地工作。”王朝阳说,这也是电池有安全隐患和衰老的根本原因。

  锂电池非常怕冷,电动汽车在冬天可能“趴窝”:续航里程变短,也难以充电。

  电池材料自身无法同时满足低温高活性和高温稳定性。工程师要给电池增加一套热管理系统,来保障电池的安全。这样一来,又会增加电池重量、体积和成本。

  有没有一种电池,不工作的时候可以把反应界面关掉一些,提高安全性;工作的时候再把界面调大调强,给出所需要的高功率?

  王朝阳的团队一直在寻找和探索这种可调控界面的电池。

  他们已经发明了一种全气候电池,相关文章刊发在《自然》杂志上。不增加电解液的可燃性,也不改变电极材料的热稳定性,他们在电池内部植入一片10微米厚度的镍箔作为发热体。利用电池自带的能量,再加上一个开关,就可以随意调控电池的活性。哪怕在零下30摄氏度的环境里冻透的电池,只需30秒时间,就能自加热到零度以上正常工作。

  这一技术,已被2022年北京冬奥运会采用,成为驱动奥运电动汽车的核心技术之一。

  加一片镍箔,听起来是相当简单的方法。王朝阳告诉科技日报记者,它背后有曲折的探索过程。团队尝试过各种各样的方法,各种各样的材料:有的安全性差,有的能量转化效率低,有在实验室做得非常漂亮,但产业化时还是不行……“经过了20多年,我自己的感受是,简单就是美。真正有实用价值的科学发现,最后都是极致的简单。”王朝阳感慨,“创新需要坚持和毅力,这么多年,我们团队一直在追踪电池和储能的问题。”

  基于热调控原理,团队还发明了10分钟快充电池。王朝阳认为,10分钟快充电池的应用和推广,是电动汽车发展的一个重要里程碑——快速补能可以让电动车主摆脱里程焦虑。

  王朝阳的梦想,是退休前能坐飞行汽车上班。在接受科技日报记者采访时,王朝阳指出,飞行汽车中最大的技术问题,还是电池。飞行汽车对电池的要求相当高,它必须在每次降落以后马上对电池进行快速补能。“目前我们的实验已证实了10分钟快充电池用于飞行汽车的可行性和经济性。”

  其实,电池快充和高能量密度都是科学上的重大难题。王朝阳认为,真正意义上的解决方案,应该经过同行评议,刊发在科学期刊后,由第三方验证可重复,然后市场给出量产方案。“这才是靠谱的。”他强调,电池和储能是新能源时代和智能社会最重要的基础技术之一,在未来的十年将迎来巨大的创新机会。

  自2013年迄今,腾讯WE大会已连续举办9届,共邀请近80位世界顶尖科学研究者登台。王朝阳说,WE大会为科学工作者提供了一个让大家了解的平台,展示那些已经发生的、正在发生的和未来发生的技术如何影响着文明的进步。(张盖伦)

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