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盖世汽车 09-16

王朝阳院士:驱动飞行汽车的热调控电池

2021 年 9 月 15-17 日," 第三届世界新能源汽车大会 "(WNEVC 2021)在海南省海口市召开,由中国科学技术协会、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局共同主办。本次大会以 " 全面推进市场化、加速跨产业融合,携手实现碳中和 " 为主题,邀请全球各国政产学研各界代表展开研讨。

其中,在 9 月 15 日下午举办的 " 飞行汽车解决方案及发展前景 " 主题峰会上,美国国家发明家科学院院士、美国宾夕法尼亚州立大学讲席教授王朝阳发表精彩演讲。其主要观点如下:

1. 飞行汽车可对解决路面拥堵起到非常至关重要的作用。

2. 高能量密度、高功率、快充是飞行汽车对动力电池的基本要求,能量密度要大于 270 千瓦每公斤,平均放电速率达到 1C,快充速率要 3C 以上。

3. 使用热调控技术,可有效解决动力电池快充过程中析锂的现象,保障电池在 2 千次循环之后还可保持 90% 以上容量。

以下内容为现场演讲实录:

大家好!我是王朝阳,来自美国宾夕法尼亚州立大学,首先我要感谢组委会邀请我参加这个峰会,也特别高兴和大家在这里分享我们最近在飞行汽车电池方面所做的一些工作。我演讲的题目是驱动飞行汽车的热调控电池,这是一种新型电池,在过去十年当中刚刚发明的一种电池。

大家都知道,在世界各大城市当中,地面拥堵是一个巨大的挑战,也是引起了很多的问题,特别是在拥堵的时候我们企业所产生的碳排放对实现双碳目标也是一个巨大的挑战,所以有必要开拓空中的出行,也就是说让我们的交通能够延伸到三维 3D,开展空中的走廊。这个空中走廊可以让我们都市的交通变得更畅通一点,可以解决地面拥堵的很多问题,比如说出租车、空中配送、无人配送,这些在大城市当中都是对解决路面拥堵起到非常至关重要的作用的。

世界上有数十家公司在启动这种垂直起降的方式,也就是 eVTOL,它是垂直起飞跟垂直降落的,而且用了电驱动系统以后可以达到低噪音、清洁和高能效的作用,所以对于我们城市开展空中走廊起到非常重要的一个作用,这个示意图大家可以看到,飞行汽车是起飞升高一部分然后开始滑行到一定高度然后再开始降落,在航空方面还有一个需求就是说要为紧急情况做准备,如果第一次降落有困难或者说有某种原因,必须要准备好有第二次降落或者说要分流到其他的降落点,所以这个飞行汽车的电池要保证有一定的能量,能够进行第二次的降落,那假如说第一次成功降落之后我们就必须要让飞机在交换顾客的时间之内把这个充电的事情做好,所以这个要时间上是非常紧迫的需求,那么对于 eVTOL 飞行汽车有什么要求呢?

第一个就是能量密度,因为我们飞行汽车是直接把电池包带在空中,所以它的能量密度是非常重要的,根据能量密度、载重和电池包总共有多少度的能量基本上就可以决定它的飞机续航里程,所以这两个可以计算续航里程是多少,总之第一大要求就是能量密度一定要高。

第二个要求就是飞行汽车必须要有非常高的功率,左边这里我们把飞行汽车的复合曲线第一次发布出来,这是我们团队在世界上第一次定义这个飞行汽车的复合曲线,你看它的坐标是代表功率跟能量比,横坐标是时间,所以整个复合循环是在半小时时间完成,然后第一步就是起飞,起飞的时候需要巨大的功率,然后在爬坡升的时候也需要一定功率,在滑行的时候功率非常小,在自然滑行中不需要太大的功率,在降落过程中也需要非常大的功率,在降落过程当中我们准备的续航还需要准备第二次降落的要求,所以我们打算把飞行汽车的电池复合曲线跟电动汽车曲线相比的话放在右边,右边就可以看到两条曲线,黑色是表示电动汽车在高速公路深的复合曲线,或者我们叫 US06,红色的是电动汽车在城市之内的复合曲线,所以它相对来讲都是比较温和的。

这两个相比你就会发现,有巨大的变化,对于 eVTOL 或者飞行汽车电池来讲平均的放电速率是 1C,而电动汽车在高速上行驶平均功率是 0.3C,所以它的放电电流对于飞行汽车来讲是电动汽车的 3 到 10 倍。因为电流是需要 3 到 10 倍,那么飞行汽车电池中的产热就变成了 9 倍之大,以后它的产热是跟电流平方比的,所以在飞行汽车的电池当中有大量的热量产生,那么热管理系统就是一个巨大的挑战,不但是因为产热非常大,而且飞行汽车我们基本上不愿意采用液体冷却的系统,因为液体的话一个是增加重量,另外还有削弱的问题,在经历热失控的过程当中会跟冷却液体有更多的交叉产生化学反应,所以它的安全隐患是一个非常大的挑战,最好不要用液冷系统。

第三个对于飞行汽车的要求就是快充,因为快充对于 eVTOL 的商业运营,它的经济性是至关重要的。为什么呢?我们的 eVTOL 这个飞行汽车或者说空中出租车它必须要在高峰期,就是早上和下午的三个小时内必须要连续运行,它不允许空中的出租车要花好几个小时来充电。所以最理想的状态就是 eVTOL 在每次停靠的时候在交换乘客大概 5 分钟的过程中完成电池充电,所以假如说要保证 5 分钟的充电的话那我们的电池充电倍率应该是 3 到 60 中间,这样的话我们就可以计算出每一架飞行汽车一年当中可以进行多少次的飞行,然后每个来回飞行它产生了多少的经济效益就可以算得出每年的经济效益。这个充电的倍率对整个 eVTOL 的运行是至关重要的。

但是从电化学的角度来讲我们都知道快充是受到电池内部一个叫析锂现象的限制,你快速充电必定要有大量的锂离子从正极向负极迁移,这是正常情况,但是有大量锂离子到达石墨表面的话往往来不及进入到颗粒里面,往往在其表面产生大量的析锂,它会引起容量的损失,另外它很快会让电池的内部短路,所以这是一个巨大的安全隐患。

我们在过去五六年当中就发明了一个叫非对称热调控技术来解决了这个快充过程当中析锂的现象,我们使用电池的时候是在正常状态中使用,但是我们可以对电池进行快速加热,把环境温度提升到比较高的温度,比如说 60 度,在比较高的温度下电动力学性能就大大改善,然后锂离子的传输大大加快,这样尽管我们在进行大电流充电的时候也不会产生析锂,所以这个在迅速加热,电池在高温下面进行快充直接就避免了析锂,同时我们利用了快充的特点,也就是说这个电芯在高温的时间是非常短的,整个生命周期当中大部分的时间都是在环境温度,所以它的电池材料不受这个高温的特别大的影响,所以我们用了这个技术以后,基本保持了一个电池材料既不受损害又完全避免了析锂,所以让快充能够非常健康地进行。

整个过程具体是一个结构来完成的,就是在电极负极当中加一个非常薄的镍箔,我们可以看到这个开关非常清楚,如果是闭合的状态下从充电桩来的电流首先通过这个镍箔把环境温度升到 60 度左右,一旦高温达到以后开关就打开了,充电电流就自然在高温的情况下对电池材料进行充电了,所以这是一个相当简单的一键操作的过程。

我们来看看实验结果,把热调控技术应用到标准的锂离子电池,然后进行 5 分钟的快充,放电就是按照刚才我讲过的这个复合曲线来进行放电,标准的飞行汽车的复合曲线来放电,我们可以得出两种数据,一种是采用了热调控技术之后,红色的符号,另外一种就是不采用热调控技术的,所以不采用的话析锂现象非常严重,电芯大概循环到 150 次的样子,它的容量损失已经超过 20%,或者说容量保有量已经低于 80% 了,而一旦采用热调控技术的话它的循环非常好,它的容量保有量在 2 千次的循环之后还有大于 90% 以上,所以是非常健康的快充过程。

然后我们把整个循环过程当中的电芯的 SOC 窗口给画出来的话,我们也可以看得到红色的是采用热调控技术之后,你看它在充电之前或者说在使用落地之后基本上是在 40% 的样子,5 分钟快充以后可以增加到 80% 以上,经过 2 千次的循环以后最低的 SOC 逐渐减少,但是它是非常有序地减少,即使在 2 千次以后我们还有 30% 多的 SOC 剩余,充电之后有超过 75% 以上的 SOC,所以它是一个非常简单的老化过程。

充电之前的 SOC 对于飞行汽车来讲是一个相对比较高的水平,比电动汽车要高很多,它要保持在 40% 左右,因为我们在非常着落之后还要保证有一定的剩余能量,用于紧急情况下在其他机场或者第二次降落的能量,所以对于飞行汽车电池的充电一个巨大的挑战就是快充,它的初始 SOC 是非常高的,而不是接近于 0。右边的图是画出这个电池的最低电压它充电之后在整个老化过程的变化,这个也是非常重要的,我们在整个 2 千次的循环过程当中采用了热调控技术之后,它是非常逐渐缓慢的变化,假如不用这个热调控技术的话,那么在 100、150 次之后它的最低电压已经低于 300,已经不能用了。

假设把这个热调控技术用于高能量的电池上,这个是 271 的,我们进行 10 分钟充电,放电复合还是跟刚才一样,高能量密度同样在经过 2 千次循环以后它的容量保有量还是高于 80% 的,也就是说它的寿命还是要大于 2 千次的,SOC 的最低值和最高值也是在有序变化,从 40% 一直大概到 2 千次老化之后还有 25% 的 SOC,这个是我们飞行汽车电池包最低的剩余能量,要紧急用的能量,所以它的整个寿命还是 2 千次,最低电压的变化也是非常有序的在衰减。所以寿命总共是有 2 千次以上。

我们把刚才的一些结果总结一下,把飞行汽车电池跟电动汽车电池相比较的话可以看得出这些特点,它的平均放电速率是电动汽车的 3 到 10 倍,每年的循环次数比电动汽车大很多,飞行汽车是 1600 次,它是商用的,非常频繁地使用,飞行汽车几乎 90% 以上的时间是在使用快充,而电动汽车大概少于 20% 的机会在使用快充,安全要求也是不一样,安全要高的多,所以把所有的特性和性能指标放在这两张图上,红色的就是飞行汽车电池的要求,它的挑战是非常大的,相比之下蓝色的是电动汽车的要求,相对来讲不是太大的挑战了。

最后我们总结一下,飞行汽车电池所需要的能量密度是要大于 270 千瓦每公斤,最好是没有热管理的电池系统,在起飞和降落之间需要大功率大概要达到 1C 的放电速率,充电快充要 3C 以上,对于寿命要求非常高,因为这样才有盈利的可能性,同时对于安全要比电动汽车大的多,所以我们把这些所有的要求仔仔细细总结一下我们写了一篇很详细的,对于电动汽车电池展望的文章,这个文章作为封面文章在期刊上面进行了发表,所以如果大家想了解更多详细的情况可以阅读这篇文章,谢谢大家!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)

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