王朝阳院士创飞行汽车电池性能记录,充电速度是特斯拉的4倍

2021-06-13 23:09:11 DeepTech深科技

“无论我住在北京的什么位置,让私人飞行汽车在 15 分钟内把我送到办公室,是我在退休之前的梦想。”


谈及最近刚发表的飞行汽车电池成果,美国国家发明家科学院院士、宾夕法尼亚州立大学电化学发动机中心主任王朝阳教授告诉 DeepTech。

图 | 王朝阳(来源:受访者)

6 月 7 日,王朝阳团队在《焦耳》(Joule)发文探讨了电动飞行汽车对动力电池各类性能参数的需求。

论文标题为《电动垂直起降飞机电池的挑战及关键要求》“Challenges and key requirements of batteriesfor electric vertical takeoff and landing aircraft”,其中王朝阳担任通讯作者。

图 | 相关论文(来源:Joule)


5-10 分钟即可充满电,循环使用寿命超过 2000 次

王朝阳发现,在缩小飞行器和电池包尺寸的前提下,电池快充能力是保证飞行汽车在早晚高峰间无间断运行的关键,只有这样才能既降低成本、同时实现最大化营收。

图 | 飞行汽车概念图(来源:公众号公共图片库)

当前,电动汽车电池使用快充技术的场景,不超过所有充电场景的 10%,而飞行汽车电池在 90% 的场景中都需要快充。

计算可得出,一块飞行汽车电池,在一年内要完成约 1600 次满充满放循环,这等于续航 400 公里的电动汽车在一年内行驶 64 万公里。这会给飞行汽车电池的充电能力和循环寿命,带来极为苛刻的要求。

为此,王朝阳使用热调控快速充电技术,解决了飞行汽车电池的快速充电问题。在论文中,该团队展示了两种高比能电池(215Wh/kg 和 271Wh/kg)在飞行汽车应用场景下的快充技术。

图 | 271Wh/kg 电池实现高有效载荷、以及 “10 分钟 - 80 公里” 的电动驾驶充电(来源:受访者)

相比传统电动汽车电池,飞行汽车电池要在更高的放电倍率下,释放更大的能量,且要具备更好的安全性。更重要的是,缓解城市交通拥堵是飞行汽车的主要使命,因此其主要工作分别是早高峰 6:00-10:00、以及晚高峰 16:00-20:00。

对飞行汽车来讲时间就是金钱,尤其是飞行出租车,在打车早晚高峰期的几小时中,司机必须在乘客换乘时,在 5-10 分钟内就把电充满。

采用高温快充方法,王朝阳不仅实现了电池快充,还可避免析锂这一电池快充的最大杀手。同时,该方法可缩短电池处于高温的时间,从而避免材料老化、进而保证循环寿命。

而该团队发明的新电池,正是基于热调控原理,王朝阳把一片 10 微米的镍箔,放进电池芯中作为发热体,电池自身能量可让电芯极速升温,通过热调控技术即可实现电池无损伤快充和大功率输出。

图 | 电动汽车的电动垂直起降方式(Electric vertical takeoff and landing,eVTOL)与电动汽车的电池要求(来源:受访者)

王朝阳表示,热调控快速充电技术的核心思想是 “高温(60oC)充电,环境温度放电”。

利用该技术,该团队开展了电动垂直起降(Electric vertical takeoff and landing,eVTOL)场景下的快充循环实验,每个循环包含一次热调控快充和一次模拟 80 公里飞行距离的放电。

结果显示,以一款 215Wh/kg 的电池为例,搭载热调控技术的电池,可在 5 分钟内充满 80 公里飞行距离所需的能量,且电池寿命可达到 3800 次循环。

对于更高能量密度的 271 Wh/kg 电池,搭载热调控技术的电池可在 10 分钟内充满电,寿命可达 2000 次循环。据该团队介绍,这是截至目前已报道的飞行汽车电池快充实验中的最好成果。

图 | 电动垂直起降方式对电池特定功率和能量的要求(来源:受访者)

飞行汽车在起飞和降落时都是垂直的,在这两个时间段中,需要极大的功率。这时,采用热刺激方法,可让飞行汽车获得高出平时 3-5 倍的功率。

当前,世界先进国家都有飞行汽车计划,未来社会也是一个电动化社会,到处都需要电池。单就热调控快速充电技术,该团队已申请一百多项专利。

事实上,热调控快充技术用于新能源电动汽车已经五年有余,该技术可解决电动汽车冬季趴窝的问题,并被 2022 年冬奥会采用,届时就会展示给全球观众。而把该技术用于飞行汽车,本次研究属于首次展示。

王朝阳告诉 DeepTech,飞行汽车电池必须要满足几个数据,本次研究均已实现。

电池要想在空中使用,必须得具备高能量密度,而他们让电池实现了 271Wh/kg 的高能量密度。在高能量密度下,该电池可在 5-10 分钟充满,并具备飞行 80 公里所需的能量。在上述两个条件下,寿命还可达到 2000 个循环。

只有这样,才能满足第一代飞行汽车的需求。同时,王朝阳也正在研究第二代飞行电池,希望把电池能力密度提升至 350-400 瓦时每公斤,成本可降至 0.35 元人民币每瓦时。

届时,飞行汽车充一次电大约可飞行 120-150 公里,电池造价也更便宜。他告诉媒体:“我希望这篇论文能让人们相信,我们不需要再花费 20 年才能得到这些飞行汽车。”

图 | 快速充电和循环寿命对电动垂直起降方式电池的重要性(来源:受访者)

波音公司等一百多家企业均在研发飞行汽车


当前全球大概有一百多个飞行汽车初创公司,大型企业美国波音公司、欧洲空中客车公司(Airbus)也都有相关研发团队。早在 2019 年初,波音公司就已完成电动垂直起降车的首次试飞。

图 | 波音公司的自主乘用车飞行器(来源:波音公司官网)

王朝阳表示,飞行汽车是未来解决大城市拥堵的最主要交通工具之一,因为飞行汽车等于从地面二维空间、上升至空中三维空间,这等于扩宽了都市出行的可能性。以北京、上海为例,在地面上几乎没有可能增加汽车容量,因此未来只能向空间交通发展。

目前,全球尚未出台飞行汽车的交通规则,但他预测规则会更简单,天空比地面空旷得多,不太容易碰到其他交通工具。另外,从陆地无人驾驶技术来看,飞行汽车的无人驾驶会更容易研发,因为后者无需考虑树木等地面障碍物。

至于飞行汽车和小型直升机的区别,他表示由于天空是三维的,因此可把 500 米的高度设置为飞行汽车轨道,1000 米高度设置为小飞机轨道,更高的高度可设置为客机轨道,同时它们的交通规则也不相同。

以空中配送为例,在未来空中骑手到你窗户旁,就能把快递送给你,快递员也可省去地面配送之苦,甚至直接让无人机进行配送也有望实现。

按照美国现在的模式,城市大楼上会设有飞行汽车停靠站,一是方便乘客上下车、以及飞行汽车的起飞和降落,二是可放置充电桩。乘客一下车,飞行汽车就可进行充电,同时乘客都可通过大楼电梯上下车。

他向 DeepTech 举例称:“未来假如要去北京首都机场,乘电梯到顶楼停靠站,坐上飞行汽车只需 15 分钟就能降落在首都机场。”

左手创业,右手科研


几年前,王朝阳在美国创办了锂电池公司 EC Power,主要业务是研发新型电池,并有一个用于打样的小工厂,做成样品后让厂商来试用。

假如厂商预估市场前景不错,EC Power 就会把授权技术许可给其他公司,从而把新技术引入市场。比如,此前他就把全气候电池技术授权给宝马公司。而他创办的另一家公司 Autolion,已于 2018 年被并购。

图 | EC Power公司介绍(来源:EC Power官网首页)

王朝阳认为,在接下来 50-100 年之间,锂电池应该仍旧是最主流的电池,锂是最轻的金属,并且含有很高的容量。

此外,金属电池、固态电池等电池,必须使用锂金属才能实现真正的高能量密度。尽管给电池做精细分类之后,它们会有各种各样的名称,但都是锂电池。而中国要想实现碳中和,锂电池和氢能燃料电池扮演着重要角色。

最近,王朝阳上榜了美国斯坦福大学发布的全球前 2% 顶尖科学家榜单(World’s Top 2% Scientists 2020), 名次在前五十名中。该榜单的统计范围为 1969 年-2019 年,主要考量科学家长期的论文影响力,如论文引用量等。

谈及自己上榜,王朝阳说其一跟自己从事的领域有关,能源学科要遵守能量守恒定律,他把这称作 “诚实的能源”,因此在能源学科中没有捷径,只有踏踏实实地做研究,持之以恒。

自 1994 年起,王朝阳开始做新能源电池,虽然新能源在当下很火,但在其研究生涯中,新能源也经过了几起几落。此外,和他合作过的博士生,也在不断给其提供新想法。

作为常年在海外的温州人,疫情之前每年他都会回国几次,参加过多次由现任中国科协主席万钢主持召开的新能源汽车世界大会,并担任该大会技术委员会的委员。对于国内汽车新能源行业的发展,更是保持着随时关注。

新能源车企要时刻谨记能量守恒定律


王朝阳告诉 DeepTech,从绝对数量上来讲,新能源汽车在快速增长,因为全球汽车行业都在往电动化和智能化转变。传统车企如福特、通用和大众,都宣布在 2030 年到 2035 年不再生产燃油车。

因此,燃油车转向电动车已成定局。现在电动车仅占 5% 的市场份额,即便全球人口增长放缓,光把电动车替换燃油车,就是一个巨大市场。

同时智能驾驶和无人驾驶的普及,也让汽车不再是很多家庭的必备品,即可以使用共享汽车。目前私家车的使用频率只有 5%-10%。而在使用共享汽车时,尽管汽车使用量会下降,但是使用频率会增加。

2021 年初以来,不少大厂都表示要造车。王朝阳表示这种热情是好的,但是车企不能忽视能量守恒定律。

他举例称,未来电动汽车可以充电一次可续航 1000 公里,而且当技术进一步发展后,有可能把电池包做到很小,但是开 1000 公里就必须得有 150 度电的能量,那必须付出很高成本、以及消耗大量原材料。与此同时,当能量达到如此之高,安全性也会堪忧。

因此,能源科学没有 “花花绕”,必须牢记能量守恒定律。王朝阳说,假如我们多想想能量守恒定律,就能避免很多不该有的浪费。此外,节能依旧是是电动汽车及碳中和的第一位。

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