王朝陽：解決用戶體驗痛點的動力電池新技術
5月22日，CIBF2018 第十三屆中國國際電池技術交流會展覽會在深圳會展中心開幕。美國賓夕法尼亞州立大學王朝陽教授在技術交流會上發表主題演講。以下是演講正文：
我想說一下解決用戶痛點的動力電池的新技術，之前的演講嘉賓來自于三星，他們都已經講到了主要的觀點，包括客戶的痛點，我覺得新能源汽車已經非常成功，但是我們還是有些問題可以解決。我們現在有些主要的市場，要注意主要的市場。在此，我想要從一個點到基本面的研究和大家分享一下我的研究成果。在這里，我會和大家來強調一些電池方面的創新技術。看一下電動車方面所有可能的創新技術。
首先和大家分析一下痛點是什么，然后會討論全氣候動力汽車的環境實驗，我們叫ACB。我會和大家說一下我們的進步。另外會聊一下快充電池，簡稱FCB。如果我有足夠的時間，我還想說一下長壽命的電池，簡稱LCB。我覺得這三點可以結合起來。最后要和大家分享我們所用的非常強有力的工具，可以用它來更好的幫助我們做研究，叫AutoLion，最后是小結和展望。
這個照片是全氣候動力電池極寒環境的試驗。我們在不同的平臺上都進行了檢測。我的PPT有些是中文，有些是英文，我覺得大家都會理解的。
從用戶角度而言，他們仍舊有很多體驗方面的痛點，比方說續航里程特別短，成本太高，壽命太短。同時太不安全，這些是比較主要的問題，如果在表現而言，它也不是那么盡如人意。我們看一下圖片，來自特斯拉，他們從0到100米5秒中達到的速度，這對于電動車而言是非常好的表現。但是這種快速的發展僅僅是在室溫或者常規的角度而言，如果我們看到電池的功率，它里面有電阻，它的內組隨著溫度的降低也在升高，零下20度到30度可能有9倍的電阻，所以整個電池損耗是非常高的。你用真實的充電情況，比方說零下20度是非常慢速的騎車，他們會說車移動太慢，不要著急。另外一個體驗是充電方面的問題，一旦聊到快速充電、超快速充電，這個圖片是一個產品的宣傳圖，大家可以看到，他們可以在室溫當中進行快速充電。如果在0度以下、10度以下，充電的時間就會極大的增長。
在現實當中，如果有真正的快充，就會比較好，如果現在充電，充電站就變成停車場。對于擁擠的大城市而言，快充確實是比較好的方式。另外可以想一下加油站，加油站并不依賴于外溫，我們沒有這樣的感覺。對于電動車而言，你的充電是對于室溫、外溫依賴度很高。我們所需要做的研究是進行全氣候的電池研究，那就是讓電動汽車去燃油車能去的地方，做燃油車能做的事情，我們需要非常一致的開車體驗，解決用戶體驗的痛點，讓電動汽車打動化的電池技術。這個技術讓你和做燃油車一樣的事情。
這樣的理念是非常簡單的，你會有非常常規化的電池。有鎳，有鎳鉑，連接到正極、負極，就完全可以控制你自己的室溫充電。每分鐘的充電速率可以達到100-200，它是完全超傳統化的技術，而另外的加熱的技術是從內至外的，是非常快的。有這樣的技術，你可以做很多的事情。當然，你所需要消耗的能量也是非常少的。我們是兩年之前發現了，我們在Nature上有些發表。比如零下20度進行自加熱，大概只需要12.5秒進行自加熱，就可以達到快速充電。零下30度也是30秒下可以進行自加熱，加熱到電池可以充電。對于零下40度、50度都是這樣子的，它是非常簡單的結構，但是非常有用。在此，你完全沒有等待時間，我們是有這種算法能夠看到寬溫差的處理是什么樣的，如何在相對低溫的環境之下去進行充電，然后你在開車的時候，停下的時候，就讓電池休息一下。所有的電流就會進入鎳鉑當中，電池會很快升溫。當你開車的時候就會進行自加熱，大概達到20攝氏度，會達到日常充電的狀態。比方說從0度到20度，大概只有13秒。即使在零下40度，只是在2分鐘內就完全可以達到最佳的狀態。達到最佳狀態的時候，就可以有很好的表現了。比方現在ECB用的LIB，就實現了零下30度80%的室溫巡航范圍。
在未來，如果能夠繼續用更多好的能量密度電池，我們可以把比例提升到92%，所以室溫不再影響充電。我們要知道加熱的過程中，損失的能力還會更少，這是非常簡單的技術能幫助我們解決溫度敏感的問題。另外，我們還可以做內部功率增強，這條黑色的線是傳統的鋰電池，如果你用零下20度的例子，比方最開始是零下20度，SOC是100%，用10秒之后，你可以用到的功率很低，你用自加熱，在10秒內，內部的溫度就從零上10度，SOC變成97%，所以在后來的方面，你的功率和傳統的鋰電池功率是一致的。這是我們所需要的功率。當然，對于不同的電池而言都會有不同的表現，它可以表現的非常快。就好像是以傳統的方式來進行快速的充電，當然，你還可以用一些其他的實驗，比方說快速充電。這是非常典型的CCCV算法，我們可以假設室溫是T1，我們做快速充電，用自加熱的方式提升到T2，我們可以看到它的極化，自有電壓也會有些提升，我們可以做CV，在這里看到用CCCV，觀察完全一樣。如果我們想要改善這種傳統的方式，我們要在CCCV之前加一個自加熱，在充電之前再自加熱，我們有這樣的結構，一旦這個電池有這樣的方式，我們叫ACT，那就是激活的過程，那就可以去進行自加熱，也會把T1到T2的溫度一下提升了。你把溫度開關關掉，它的溫度又回到正常，它在加熱的過程當中，溫度就是保持在T2，你的電池加熱的方式，它的電壓就會增強，我們把它叫HCCV，即充電之前進行加熱的方式。
這是非常容易的算法方式，可以應用到不同的場合當中。我們可以在任何溫度當中進行15分鐘保證充電的方式，比方說0度甚至零下50度的溫度進行15分鐘的快速充電。另外，我們可以看一下前面的變化不太多，其實是在進行自加熱。所以它的電壓是保持一致的，如果我們從30秒到70秒，這是取決于周圍溫度，我們也就可以看到它的溫度達到理想的狀態，我們把這個開關關掉，就可以進行快速充電。如果我們看到總體的充電時間和加熱的時間，可能0度是30秒，如果零下20度大概是46秒，這種預加熱總體的時間其實就是藍色的柱子，它和周邊的溫度差別并不是特別大，從0到負50度這是非常大的溫幅，這是我們共同的算法。它的運算形式非常好。
我們看一下它的循環壽命，我們看一下它的基線，如果你做3C的25攝氏度，只要做幾個循環，你可以做10度的3NC，可以做0度的3.5C，可以到達室內溫度是2500，如果用FCB，可以類比3.5C，這個是0攝氏度的環境溫度，我們做這樣的循環，我們用紅色的點來表示，它的循環的數量在增加。在更快速的充電，極端快速的充電就是10分鐘 6C到80%的電量，我們把它稱之為極端的快充項目，這是美國能源部提出來的，正在實施。室內溫度是20-25攝氏度，我們想加快這樣的過程。T2加高的溫度是40-60攝氏度。紅色的曲線是電池溫度的變化，我們需要25秒鐘來把它進行電池的自加熱，25秒鐘，然后把它關掉，做6 個C的充電，能夠到達60%，10分鐘就可以6個循環，就可以到達80%。這里的溫度提升非常小，這給我們展示的是我們的電池性能非常棒，有非常好的性能。當容量到80%，經過6個C，這是我們循環的圖片、循環的剖面，經過很多循環以后，大家可以看到電池的溫度很快可以下降，一旦快充結束的時候，電芯的溫度也可以很快下降，周邊的空氣冷卻也是非常的快。循環壽命可以到3000，我們可以看一下6C充到80的情況，到2.7V，我們可以到1000個循環，每個循環會有300Km，這是非常快速充電的情況。FCB適合所有周邊溫度，并且保證各種各樣的應用場景。
這是極端快速充電的情況。自我加熱的結構創造了一個溫暖的條件，能夠激活最動態的充電倍率，它的性能就可以得到一個非常好的提升。和傳統的鋰電池相比，它的充電后的溫度會有很快的回溫，很多人會問，你如何應對這樣的循環周期？你的材料暴露在高溫當中，有0.3的時間，更多的是周邊的溫度。電池暴露的時間是0.3到提高的問題，99.7的周邊溫度。使用了這種技術，我們會有一種新的概念，可以把它變成現實，這就是移動充電車。最早，這個概念是寫在紙上，完全無法實現。因為我們有冷車低于10度如何處理，但是FCB的汽車在任何時候都可以實現。
長的壽命周期的電池會超過很多的公里，它可以持續50年，可以轉變為1M公里，電池的壽命是超過50年。高能量EV的電池是220-240每公斤的瓦時，現在是三到四千的周期。現在LCB是65-30-15，鋰電池是195、90到120，一年后，我們會發布這個技術。我們通過計算，能夠實現15，這是非常小的計算。我們需要1500個，我說的是這些數值。
發展非常快，中國的發展令人吃驚。我剛剛說的是高能量的電池是220到240，瓦特小時每公斤，它可以到達三四千的循環。現在對商業化的應用還有很多空間，比如2018年春節前要完成低溫賽區的試驗，2019年到2020年有示范考核的情況要把它完成。現在FCB的電池是在一些小車上，在公車上進行測試。我們有全面在外部的充電站，這個是72小時，所有的汽車是浸泡在零下40度的溫度當中，沒有任何保持溫度的做法。這種新能源車10分鐘就像正常的車一樣開走，它的加速賭是每小時0-100公里，同時實現快充。順豐有很大的隊伍來推動這樣的技術。
寶馬推廣的技術，這是全耐候性的電池，是寶馬車發布的。
AutoLion3，是由GT公司發布的，來自PE基金，它現在變得越來越快。
總結，我們發現鋰電池可以自我加熱，非常快，而且非常一致的進行加熱，它可以創造一個模式的轉變在能源、在電力方面，可以急需到達高的電力，是可期的，是能實現的，而且是可調的，它是快速、均勻自熱電池。我們還可以調整它的電化學界面，這樣可以通過熱刺激打開無限的機會，它是可信賴的。在壽命、成本等等方面都是非常好的。
提問：聽上去是很好的技術。如果真的可以落地，那我們都會失業，如何看待未來技術的發展？
王朝陽：非常好。這就是我所想到的，在現實中也要看到，很多東西要落地需要花很多時間，所以我們必須耐心，我們要將實驗室的結果變成商業的產品，它是需要花時間的，我們需要做很多的驗證、很多的測試，還包括很多的電動車的測試，比如在冬奧會的試運行，我們有很多的電動汽車，很多車跑3-5年才能確定每件事已經確定。作為應用要花很多時間，但是現在確實看到一些早期的技術采納者，我們現在有更多早期的采納者宣布他們會采納更多先進的技術。
提問：這是非常令人印象深刻的描述，這是非常快的一種快充方法，當您說到15分鐘充電時間在全天候的充電，這是完全充電的方式嗎？第二個問題是自發熱的情況是非常低的溫度，你會不會產生什么不好的情況？
王朝陽：FCB的循環壽命非常長，我們注意到這方面的剖面圖，像SCI膜的情況。一旦你有能力提高內部的電芯溫度，我們可以控制溫度。我們說的電解質的設計是在低溫設計，我們說的是一般正常的電解質應用，并不是低溫專門設計的。作為戶外的，這似乎像魔力一樣，我們有充電相關的數據，我們可以在室外充到100度，這些電解液都已經凍在一起，但是充電過程中，并不是來自于電芯，不管溫度有多低，仍然有電源可以讓電解質升溫。
提問：你是不是會看見第一秒或者十秒出現電伏下降的情況？
王朝陽：我們有一個開關，我們不會觸碰任何材料在預加熱的過程中，我們有一個內部的加熱器，所以不會看到電壓的變化。
（根據速記整理，未經嘉賓審閱）
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