全球氣溫升高、冰川融化、海平面上升……二氧化碳過度排放引發(fā)的系列氣候和環(huán)境問題，讓我們賴以生存的家園面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，并將嚴(yán)重威脅人類健康。據(jù) Nature Communications 今年發(fā)表的一項(xiàng)最新研究，到本世紀(jì)末，預(yù)計(jì)每年將有460萬人死于氣候變化。[1]

　　人類活動導(dǎo)致的碳排放主要來源于化石燃料消費(fèi)。因此，人們迫切地需要開發(fā)和應(yīng)用更加高效、清潔的能源生產(chǎn)方式，以解決傳統(tǒng)化石能源帶來的儲量與污染問題，并盡早實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

　　隨著技術(shù)發(fā)展和環(huán)保意識的提升，越來越多的綠色能源產(chǎn)品進(jìn)入到我們的日常生活中，常見的綠色能源有風(fēng)能、潮汐能、太陽能、地?zé)崮艿鹊取５�這些新能源通常具有間歇性發(fā)電的特點(diǎn)，難以直接并網(wǎng)供人們使用，因此需要開發(fā)大規(guī)模的高效儲能裝置。

　　目前常見的二次儲能電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等。其中，鋰離子電池以其高工作電壓、快速充放電特性、長循環(huán)壽命、無記憶效應(yīng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今性能最為出眾的二次電池。鋰離子電池因便攜式數(shù)碼產(chǎn)品及電動汽車的大規(guī)模應(yīng)用，受到國家和企業(yè)的大力推廣，發(fā)展迅速。

　　然而鋰離子電池汽車的續(xù)航和充電問題卻讓許多人在購車前猶豫不決，限制了電動車的大規(guī)模普及。現(xiàn)在很多純電動汽車所標(biāo)注的續(xù)航里程都是“60等速”，是在以60邁的速度下測量出來的續(xù)航里程，與實(shí)際續(xù)航里程相差甚遠(yuǎn)。實(shí)際開車中，開空調(diào)續(xù)航打七折，冬天開車再打?qū)φ郏�宣稱續(xù)航600公里左右的電動車，冬天通常只能跑300多公里。

　　在冬天，低溫會讓電動車的電池容量下降——鋰離子電池儲存與釋放電能主要靠鋰離子，當(dāng)溫度降低時(shí)，離子不愛動彈，遷移擴(kuò)散能力降低，這就導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大。此外，當(dāng)溫度降到一定程度，電池內(nèi)部電解液的黏度會像蜂蜜一樣增大甚至凝固，使電池?zé)o法正常工作。

　　為了不讓電動汽車在冬天“趴窩”，材料科學(xué)家和電池工程師在電池材料上提出了許多辦法。例如在電解液當(dāng)中摻入大量有機(jī)溶劑(如碳酸乙烯酯EC和其它低熔點(diǎn)有機(jī)溶劑混合形成二元、三元甚至四元體系的共混溶液等)，這樣可以大大降低電解液的凝固溫度。[3]然而這樣卻造成電解液更加易燃，犧牲了電池的安全性。或者為鋰離子電池配備加熱裝置，如空氣預(yù)熱、液體預(yù)熱、電熱器預(yù)熱等方式，但其通常需要較高的空間需求以及較長的加熱時(shí)間。[4]

　　如何讓鋰電池具有良好的低溫性能，同時(shí)又安全性高、成本低、充電速度快，是該領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)高難度的挑戰(zhàn)。

　　就在這個(gè)時(shí)代，告別電量焦慮

　　2022年，北京將要舉辦第24屆冬季奧林匹運(yùn)動會。北京冬天這么冷，如何保障電動車在低溫下依然能夠堅(jiān)持長時(shí)間的工作?北京科技冬奧新能源汽車專家組專家，世界新能源汽車大會科技委員王朝陽院士提出，為參加北京冬奧會的電動汽車都裝上抗凍的“心臟”。

　　王朝陽院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)數(shù)年研究，發(fā)明了多類新型電池，如全氣候電池(ACB)[5]、10分鐘快充電池(FCB)[6]、碩安電池(SEB)[7]、常溫全固態(tài)電池等。其中，全氣候電池正是冬奧會電動汽車的抗凍“心臟”，該技術(shù)入選2022年度汽車十大技術(shù)趨勢之一。

　　它的原理說來有些“劍走偏鋒”：在極低溫環(huán)境下，讓電池利用僅剩的一點(diǎn)點(diǎn)能量，給自身加熱。為了讓電池能夠在快充前迅速加熱到指定溫度，王朝陽團(tuán)隊(duì)在電池內(nèi)部插入50 μm厚度的鎳箔，一端連接到負(fù)極，另一端延伸到電池外部以形成第三端。

　　這個(gè)工作過程相當(dāng)于電池內(nèi)部快速短路，當(dāng)溫度較低時(shí)，系統(tǒng)控制連接正極和加熱極耳間的加熱控制開關(guān)閉合，電流通過鎳箔產(chǎn)生可控內(nèi)短路。由于有電流通過，在鎳箔上就會產(chǎn)生熱量，從而使電池迅速變熱，將自己激活。一旦電池內(nèi)部溫度超過60 °C時(shí)，就會觸發(fā)溫度傳感器并阻止電流通過鎳箔，此時(shí)電池就做好了快速充電的準(zhǔn)備。而不工作時(shí)，電池的溫度會快速冷卻到環(huán)境溫度。

　　而給自身加熱的這部分電能，僅占電池總電能很小的一部分。全氣候電池每升溫10 °C大概消耗1.35%電量，這就意味著從-20 °C的環(huán)境中加熱至60 °C仍能剩余89.2%的電量，仍可提供大于250 km的續(xù)航里程，電池循環(huán)次數(shù)仍超過2000次(以三天充一次電估算，使用壽命約16年)，相當(dāng)于用一小部分能量換取了整個(gè)電池的長效穩(wěn)定工作。

　　相比于傳統(tǒng)尋找新材料、改性已有材料的開發(fā)路徑，王朝陽團(tuán)隊(duì)走的是一條更為“人跡罕至”的路：僅通過略微改變電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無需將已有電池制備設(shè)備全部淘汰。與普通電池包相比，全氣候電池的重量增加不會超過1%，電池成本增加不超過5%，量產(chǎn)后成本增加可降至2%。與傳統(tǒng)外部加熱方式相比，電池自加熱技術(shù)具有升溫快速、耗能低、加熱均勻的優(yōu)點(diǎn)，能夠解決電池在極寒環(huán)境下的使用“瓶頸”問題。因此，全氣候電池具有非常廣闊的應(yīng)用前景 。

　　目前，北京理工大學(xué)聯(lián)合相關(guān)單位已根據(jù)該思路完成了整個(gè)工作原理的驗(yàn)證并成功研發(fā)出電池系統(tǒng)產(chǎn)品樣機(jī)，整車產(chǎn)品已經(jīng)投入試驗(yàn)示范應(yīng)用。[8]

　　全氣候電池克服電池低溫問題，徹底解決了電動汽車在冬季續(xù)駛里程急劇下降、無法啟動、衰減、有安全隱患等諸多難題，對電動汽車的發(fā)展具有里程碑的意義。經(jīng)過這樣的技術(shù)“加持”，未來鋰離子電池汽車將從容面對極寒氣溫的環(huán)境，突破鋰離子電池汽車在嚴(yán)冬時(shí)的續(xù)航里程衰減痛點(diǎn)，為鋰離子電池汽車的“二次破局”，進(jìn)行更大范圍市場推廣奠定基礎(chǔ)。

　　電動汽車要滿足冬奧會的應(yīng)用需求，除了要能夠在低溫環(huán)境下啟動、續(xù)航和有效使用外，還需快速充電的能力。王朝陽院士在2019年發(fā)布的一項(xiàng)快充技術(shù)稱，10分鐘充電可讓電動汽車充滿80%，續(xù)航300公里到400公里，并且經(jīng)過2500次充放電后，電池容量只有8.3%的損耗。而在當(dāng)前的電池技術(shù)水平下，即使快充也需要30分鐘充電到電池容量的80%，慢充則需要6-8小時(shí)，要想把電池充到100%則需要更久的時(shí)間。

　　鋰電，未來

　　可以預(yù)期的是，未來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，總有一天，我們能大規(guī)模應(yīng)用上大容量、充電快、安全性高的電池包，而電動汽車充電也會變得像燃油車一樣方便，電動汽車將不再有禁區(qū)。未來，我們不會再看到新聞上報(bào)道某電動汽車車主假期回家，路上充電花了十幾個(gè)小時(shí)的新聞，不會在充電的時(shí)候還需要吃個(gè)午飯喝個(gè)下午茶才能補(bǔ)電成功。甚至，我們還能擁有自己的電動飛機(jī)，上班回家再也不擁堵。

　　11月6日，騰訊科學(xué)WE大會上，王朝陽教授及數(shù)位全球頂尖科學(xué)家將為大家分享最新科學(xué)突破。一起來線上赴約吧!