新能源汽车注定是2021年的民众关注焦点。
新年初始，国内多家公司宣称将推出续航超过1000公里的纯电动汽车，而中国科学院院士欧阳明高在1月16日对此表达了不认可：如果有人说，他的电动车既能跑1000公里，又能几分钟充完电，而且还特别的安全、成本还非常低，大家不用相信，因为这在目前是不可能同时达到的。
这碗冷水泼得正是时候。超长续航到底是否实用？超大容量电池+超快充能否满足安全性要求？这些关系消费者痛点的问题需要业内沉着的剖析。
我们连线了美国国家发明家科学院院士，宾夕法尼亚州立大学机械工程、化学工程和材料科学与工程系讲席教授王朝阳，请他来谈谈电动车电池的发展。
王朝阳研究工作集中于电池和燃料电池中的运输、材料制造和建模等方面，他拥有90多项专利（美国、中国、欧盟和日本）。他关于全气候电池（ACB）技术的研究发表在《自然》杂志上，后来被2022年冬季奥运会选中，为奥运会的电动汽车提供动力。他还在2019年发布了一项快充技术称，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。就在最近，王朝阳团队开发了一种热调控磷酸铁锂电池（TMB），可以满足低成本、超安全、长寿命、全气候等多方面需求，这项成果于2021年1月18日发表在能源领域世界期刊《自然能源》杂志。
谈到电池的热点新闻，他一再强调能量守恒定律。他说，所有的新闻、所有的发布或者我们在听到的一些故事，用简单的能量守恒定律去分析它，就可以知道它的真实性，以及它的靠谱程度。
王朝阳教授。图片：宾夕法尼亚州立大学
王朝阳教授。图片：宾夕法尼亚州立大学
为何鸭：最近欧阳明高院士批评了超长续航和超级快充，这是工业界跟实验室研究的错位吗？还是说企业有一些夸大的成分？
王朝阳：这在科学跟商业两方面都有问题。
商业问题很简单，假如说1000公里续航的话，大概需要150度电，所以就算10分钟充好150度电的话，大概需要900千瓦充电功率的充电桩，而900千瓦充电桩目前是没有的，最大功率的特斯拉第三代充电桩是250千瓦，所以从商业角度肯定是没有可行性的。
从科学角度也有很大的问题，续航里程这么长，电池肯定是高能量密度的，比如说6个倍率的充电，在科学上目前还不成立，至少没有这样的报道，没有经过同行科学家评审过的报道。
实际上快充有一个非常简单的科学判决，就是3个数据要并存，缺一不可。第一是充电时间；第二是充电后得到了多少能量或续航里程；第三个数据就是电池能够循环多少次，这个也很重要。假如充电很快，得到的能量也很多，但是只充一两次就把电池废了，这也不算是新技术，我们大学一年级的同学都会做。
这三个数据缺一不可，有了这个法则，基本上媒体或者企业发布的任何快充的消息都可以自行判断。
能源这个行业一定要遵守能量守恒定律，就是说充电功率乘上充电时间等于多少能量，用简单的能量守恒定律，马上就可以推算出他们在讲什么。
为何鸭：公众对一些黑科技的期待值比较高，希望有一个突破性的技术出来。
王朝阳：大家都在期望，但所有的黑科技一定是基于能量守恒定律的。这个是基本的规则。假如发现黑科技是永动机，他不符合能量守恒，这个技术问题就很大了。
为何鸭：我们来看你们刚刚发表的研究，这个低成本的电池跟2019年10月份发布的快充技术相比，根本的区别在哪？
王朝阳：最根本的区别是，我们这项研究聚焦于一个主题，降低电池成本。
我们就是希望能够把电池的成本降到跟燃油发动机差不多的水平，这样就可以普及大众市场的电动汽车。它的意义对减少碳排放非常大，光是卖几千辆高端电动车，碳中和是无法实现的。
更形象、更简单的表述就是我们把电池包小型化，然后让单位成本保持比较低的水平，就能达到电池整个成本的降低。
这个方向跟国内很多车企的方向正好相反，国内都是长续航，要开发1000公里续航的电池，150度的电池是什么概念？按照现在三元锂电池，比如说一瓦是一块钱，这150度电池就是15万人民币。这个车子不是大众市场的电动汽车，电池成本太高了。
再加上你拖着这么大的一个电池到处跑，这个很危险对吧？那是一个大的能量包。
所以我们把以前的一些技术都应用到新电池上面，包括传统的磷酸铁锂在冬天性能非常差，我们的电池就不受环境温度的影响，因为我们的一定要事先预热到60度才工作，它永远可以给你好的性能。
这个全天候电池测试过。2022年的冬奥会就采用了这款电池，有大量整车的试验结果，包括这些车队在东北黑河的实验结果。
高温下充电会加快，金色小球代表锂离子。图片：宾夕法尼亚州立大学
高温下充电会加快，金色小球代表锂离子。图片：宾夕法尼亚州立大学
为何鸭：请你科普一下全天候电池（自加热电池）。
王朝阳：传统的锂离子电池特别怕冷，温度低的话，锂离子在正极负极之间的传输受到很大的障碍，所以它的性能要降低很多，降低9倍到10倍的样子。
传统的办法是利用外部加热，但耗能比较大，并且不是很直接，需要的时间很长，需要一小时以上，所以不能满足消费者马上就能用的需求，并且在冬天快速充电更不可能。
我们的全天候电池就是在电芯当中给它增加一个镍片，只有10个微米的镍箔，镍箔可以产生自加热，让电池的温度迅速上来。尽管环境的温度是零下，我们做到了温升在60~200度每分钟，而传统的外部加热一般是温升在0.5~1度每分钟，我们这个速度提高了两个量级。一般只要用几十秒时间就可以让电池热起来，然后正常工作。
另外，我们经过大量的实验研究发现，这种自加热方法消耗的能量非常小。
为何鸭：这个办法本质上是主动控制，不改变材料本身，安全性也没有变化，能够迅速让电池达到一个适当的充电的温度，对吧？
王朝阳：对。我们最早提出结构创新，传统电池的结构就是正极、负极与隔膜，叫三部件结构。我们增加了第4个部件镍箔，放进去以后，它可以自己储能，自己调节温度。
为何鸭：提到固态电池这个概念，我看有公司已经在推这个产品了，但是有的人说他这个是半固态的电池。请你科普一下固态电池跟三元电池、磷酸铁锂电池本质的区别在哪？是液态跟固态的差别吗？
王朝阳：固态电池的真正意义，是把原来我们常规的磷酸铁锂、三元电池当中的电解液，用固体的电解质来取代。但固态电池的研发，离真正商业化应该还有很远的距离。
你可以从媒体报道或者从公司发布的消息当中看到，我们的研发人员和企业，基本上都还没有想清楚到底要做什么样的固态电池产品。
为什么这么说？我可以举几个例子。第一个例子，你在媒体当中可能会经常听说，固态电池的离子导电率太低了，固-固界面电阻太大了；同时你又看到说固态电池可以快充。这是互相矛盾的，一个大内阻的电池怎么可以快充？那是不可能的。
有的人讲半固态电池，意思就是说正极里头还有电解液，有一半以上的危险的电解液还留在电池里面，这能安全吗？
为何鸭：包括丰田在内，一些大公司说将来要做固态电池，是因为固态电池的安全性更好？
王朝阳：固态电池大家都要去做，认为是下一个发展的方向。每个企业有自己的考虑，不但是科学技术发展的原因，还有企业的定位、投资的方向。但是固态电池一定安全吗？我们有时候想当然认为是安全的，但是你真正好好去想的话，会发现它有很多不安全因素。
第一，假如某公司固态电池做成150度电，这个是很大的一个能量包，即使是固态，扛着这么大能量包到处跑，也是不安全的。一旦放电、也就是全部电能放出来的话，电池的温升应该在1500度以上。
也就是，如果某个部位短路，电能一瞬间就释放出来的话，电池材料要达到的温度是1500度以上，没有任何材料是安全的。即使10%的电量被瞬间放出来，固态电池的温度就达到了180度，锂金属也熔化了。
为何鸭：回到40千瓦时的电池，是小容量的话更容易控制安全性吗？
王朝阳：我们发明的40千瓦时电池是目前所有的市场上最安全的电池。第一，毕竟只有40千瓦时。第二，它的正极是用了磷酸铁锂，这是非常安全、热稳定相当好的一个材料。第三，我们尽管也是石墨负极，但因为在60度工作，我们可以把石墨颗粒做大，比表面积可以小，这也提高了安全跟热稳定性。第四，我们用的低电压的电解液，因为磷酸铁锂它的电压只有3.6/3.7伏，而三元是4.2/4.3伏，所以电解液更安全。
为何鸭：还有个概念需要解释一下，现在讲石墨烯跟石墨负极是什么关系？石墨烯为什么是热点？
王朝阳：大部分的使用场合中，石墨烯只是一个导电剂，增加电子导电率，所以它的用量很少，比如说1%、2%、3%，而石墨是一个储能材料。打个比方，这个石墨是让你吃饱的东西，而石墨烯只是味精，调料。
为何鸭：对于三元锂电池和磷酸铁锂电池的二选一争论，你觉得未来应该如何选？
王朝阳：三元电池能量密度要高一些，但是缺点是它的安全性要差一点，成本也高，还需要用到钴，钴是一个战略性的金属，所以有明显的缺点。
电芯材料的能量密度高了以后，安全性就差了，就要在电池包上做更多的安全装置，来防止三元电池产生不安全。而在电池上加装另外的装置以后，它会降低整个系统的能量密度，所以150千瓦时的电池肯定不会去选择比较重的磷酸铁锂，那样这个车子大概就没有乘客了。而把电池做小了以后，磷酸铁锂就是非常好的一个选择，因为它有不可超越的优点，就是安全性特别好，成本特别低。
所以在不同的场合，这两种电池都会有用处。最近我们在做飞行汽车的电池，就是电动飞机的电池，以后咱们都可以坐着飞行汽车去上班了。飞行汽车它可以利用三维的交通网络，能够没有堵车情况下到达目的地。对飞行汽车，三元电池会是一个首选，因为毕竟飞机是要飞上去的，对重量特别敏感。
我也不能用小型化技术来做飞行汽车的电池，你总不能飞5分钟就需要补能，在空中也没办法实现10分钟补能，所以我觉得这两个技术在不同的场合都有自己的用途。
日本SkyDrive飞行汽车公司的首席工程师兼测试飞行员ToshiroAndo走下SD-03飞行汽车。图片：CFP
当地时间2020年8月25日，日本爱知县丰田市，在丰田试验场，日本SkyDrive飞行汽车公司的首席工程师兼测试飞行员ToshiroAndo走下SD-03飞行汽车。图片：CFP
为何鸭：提到飞行汽车我也很好奇，包括国内也有公司在做这方面项目，如果用燃油发动机做动力，不是一样吗？
王朝阳：我们现在的飞行汽车垂直升降，它是大都市使用的交通工具，对污染、噪声都是非常敏感的，所以用燃油现在不是一个发展方向。
未来飞行器会做成无人驾驶的智能型，没有驾驶员就可以省一个座位的空间和一个人的重量，这样它必须要配备比较大的电脑，然后有很多数据处理的功能，这时候需要大电池，所以即使用汽油机的话，还得配一个大电池，这样的话整个重量会超出纯电动的做法。
燃油车转变成智能汽车有一个巨大的障碍，因为用到的一些传感器，都是需要电力控制的。包括刹车，用电控制都会更快、更精确。
为何鸭：谈到未来的趋势，丰田也在推氢能电池的电动车。在中国，北京也有氢能电池试点，在你看来，氢能电池的趋势是什么？
王朝阳：氢能燃料电池，我本人也研究了十几年。它的最大毛病，一是成本太高，另外一个问题就是寿命还不够。它需要科学上的突破，让成本降一个量级，然后才能谈商业化，目前离普通消费者还有一些距离。
过去的20年，至少国际上有20个公司，每个公司在氢能燃料电池上面投入差不多20亿美元。我的实验室在这方面已经投入大约3亿人民币做研发，写了一些论文，但是我还不敢有商业化的想法。
