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王朝陽院士發(fā)表飛行汽車電池成果,10分鐘內(nèi)即可充滿電

hl5C_deeptechch ? 來源:DeepTech深科技 ? 作者:DeepTech深科技 ? 2021-06-15 15:04 ? 次閱讀

“無論我住在北京的什么位置,讓私人飛行汽車在 15 分鐘內(nèi)把我送到辦公室,是我在退休之前的夢想。”

談及最近剛發(fā)表的飛行汽車電池成果,美國國家發(fā)明家科學院院士、賓夕法尼亞州立大學電化學發(fā)動機中心主任王朝陽教授告訴 DeepTech。

6 月 7 日,王朝陽團隊在《焦耳》(Joule)發(fā)文探討了電動飛行汽車對動力電池各類性能參數(shù)的需求。

論文標題為《電動垂直起降飛機電池的挑戰(zhàn)及關(guān)鍵要求》“Challenges and key requirements of batteriesfor electric vertical takeoff and landing aircraft”,其中王朝陽擔任通訊作者。

5-10 分鐘即可充滿電,循環(huán)使用壽命超過 2000 次

王朝陽發(fā)現(xiàn),在縮小飛行器和電池包尺寸的前提下,電池快充能力是保證飛行汽車在早晚高峰間無間斷運行的關(guān)鍵,只有這樣才能既降低成本、同時實現(xiàn)最大化營收。

當前,電動汽車電池使用快充技術(shù)的場景,不超過所有充電場景的 10%,而飛行汽車電池在 90% 的場景中都需要快充。 計算可得出,一塊飛行汽車電池,在一年內(nèi)要完成約 1600 次滿充滿放循環(huán),這等于續(xù)航 400 公里的電動汽車在一年內(nèi)行駛 64 萬公里。這會給飛行汽車電池的充電能力和循環(huán)壽命,帶來極為苛刻的要求。

為此,王朝陽使用熱調(diào)控快速充電技術(shù),解決了飛行汽車電池的快速充電問題。在論文中,該團隊展示了兩種高比能電池(215Wh/kg 和 271Wh/kg)在飛行汽車應用場景下的快充技術(shù)。

相比傳統(tǒng)電動汽車電池,飛行汽車電池要在更高的放電倍率下,釋放更大的比能量,且要具備更好的安全性。更重要的是,緩解城市交通擁堵是飛行汽車的主要使命,因此其主要工作分別是早高峰 6:00-10:00、以及晚高峰 16:00-20:00。

對飛行汽車來講時間就是金錢,尤其是飛行出租車,在打車早晚高峰期的幾小時中,司機必須在乘客換乘時,在 5-10 分鐘內(nèi)就把電充滿。

采用高溫快充方法,王朝陽不僅實現(xiàn)了電池快充,還可避免析鋰這一電池快充的最大殺手。同時,該方法可縮短電池處于高溫的時間,從而避免材料老化、進而保證循環(huán)壽命。

而該團隊發(fā)明的新電池,正是基于熱調(diào)控原理,王朝陽把一片 10 微米的鎳箔,放進電池芯中作為發(fā)熱體,電池自身能量可讓電芯極速升溫,通過熱調(diào)控技術(shù)即可實現(xiàn)電池無損傷快充和大功率輸出。

王朝陽表示,熱調(diào)控快速充電技術(shù)的核心思想是 “高溫(60oC)充電,環(huán)境溫度放電”。

利用該技術(shù),該團隊開展了電動垂直起降(Electric vertical takeoff and landing,eVTOL)場景下的快充循環(huán)實驗,每個循環(huán)包含一次熱調(diào)控快充和一次模擬 80 公里飛行距離的放電。

結(jié)果顯示,以一款 215Wh/kg 的電池為例,搭載熱調(diào)控技術(shù)的電池,可在 5 分鐘內(nèi)充滿 80 公里飛行距離所需的能量,且電池壽命可達到 3800 次循環(huán)。

對于更高能量密度的 271 Wh/kg 電池,搭載熱調(diào)控技術(shù)的電池可在 10 分鐘內(nèi)充滿電,壽命可達 2000 次循環(huán)。據(jù)該團隊介紹,這是截止目前已報道的飛行汽車電池快充實驗中的最好成果。

飛行汽車在起飛和降落時都是垂直的,在這兩個時間段中,需要極大的功率。這時,采用熱刺激方法,可讓飛行汽車獲得高出平時 3-5 倍的功率。

當前,世界先進國家都有飛行汽車計劃,未來社會也是一個電動化社會,到處都需要電池。單就熱調(diào)控快速充電技術(shù),該團隊已申請一百多項專利。

事實上,熱調(diào)控快充技術(shù)用于新能源電動汽車已經(jīng)五年有余,該技術(shù)可解決電動汽車冬季趴窩的問題,并被 2022 年冬奧會采用,屆時就會展示給全球觀眾。而把該技術(shù)用于飛行汽車,本次研究屬于首次展示。

王朝陽告訴 DeepTech,飛行汽車電池必須要滿足幾個數(shù)據(jù),本次研究均已實現(xiàn)。

電池要想在空中使用,必須得具備高能量密度,而他們讓電池實現(xiàn)了 271Wh/kg 的高能量密度。在高能量密度下,該電池可在 5-10 分鐘充滿,并具備飛行 80 公里所需的能量。在上述兩個條件下,壽命還可達到 2000 個循環(huán)。

只有這樣,才能滿足第一代飛行汽車的需求。同時,王朝陽也正在研究第二代飛行電池,希望把電池能力密度提升至 350-400 瓦時每公斤,成本可降至 0.35 元人民幣每瓦時。

屆時,飛行汽車充一次電大約可飛行 120-150 公里,電池造價也更便宜。他告訴媒體:“我希望這篇論文能讓人們相信,我們不需要再花費 20 年才能得到這些飛行汽車。”

波音公司等一百多家企業(yè)均在研發(fā)飛行汽車

當前全球大概有一百多個飛行汽車初創(chuàng)公司,大型企業(yè)美國波音公司、歐洲空中客車公司(Airbus)也都有相關(guān)研發(fā)團隊。早在 2019 年初,波音公司就已完成電動垂直起降車的首次試飛。

王朝陽表示,飛行汽車是未來解決大城市擁堵的最主要交通工具之一,因為飛行汽車等于從地面二維空間、上升至空中三維空間,這等于擴寬了都市出行的可能性。以北京、上海為例,在地面上幾乎沒有可能增加汽車容量,因此未來只能向空間交通發(fā)展。 目前,全球尚未出臺飛行汽車的交通規(guī)則,但他預測規(guī)則會更簡單,天空比地面空曠得多,不太容易碰到其他交通工具。另外,從陸地無人駕駛技術(shù)來看,飛行汽車的無人駕駛會更容易研發(fā),因為后者無需考慮樹木等地面障礙物。 至于飛行汽車和小型直升機的區(qū)別,他表示由于天空是三維的,因此可把 500 米的高度設(shè)置為飛行汽車軌道,1000 米高度設(shè)置為小飛機軌道,更高的高度可設(shè)置為客機軌道,同時它們的交通規(guī)則也不相同。 以空中配送為例,在未來空中騎手到你窗戶旁,就能把快遞送給你,快遞員也可省去地面配送之苦,甚至直接讓無人機進行配送也有望實現(xiàn)。

按照美國現(xiàn)在的模式,城市大樓上會設(shè)有飛行汽車停靠站,一是方便乘客上下車、以及飛行汽車的起飛和降落,二是可放置充電樁。乘客一下車,飛行汽車就可進行充電,同時乘客都可通過大樓電梯上下車。

他向 DeepTech 舉例稱:“未來假如要去北京首都機場,乘電梯到頂樓停靠站,坐上飛行汽車只需 15 分鐘就能降落在首都機場。”

左手創(chuàng)業(yè),右手科研

幾年前,王朝陽在美國創(chuàng)辦了鋰電池公司 EC Power,主業(yè)務是研發(fā)新型電池,并有一個用于打樣的小工廠,做成樣品后讓廠商來試用。 假如廠商預估市場前景不錯,EC Power 就會把授權(quán)技術(shù)許可給其他公司,從而把新技術(shù)引入市場。比如,此前他就把全氣候電池技術(shù)授權(quán)給寶馬公司。而他創(chuàng)辦的另一家公司 Autolion,已于 2018 年被并購。

王朝陽認為,在接下來 50-100 年之間,鋰電池應該仍舊是最主流的電池,鋰是最輕的金屬,并且含有很高的容量。

此外,金屬電池、固態(tài)電池等電池,必須使用鋰金屬才能實現(xiàn)真正的高能量密度。盡管給電池做精細分類之后,它們會有各種各樣的名稱,但都是鋰電池。而中國要想實現(xiàn)碳中和,鋰電池和氫能燃料電池扮演著重要角色。

最近,王朝陽上榜了美國斯坦福大學發(fā)布的全球前 2% 頂尖科學家榜單(World’s Top 2% Scientists 2020), 名次在前五十名中。該榜單的統(tǒng)計范圍為 1969 年-2019 年,主要考量科學家長期的論文影響力,如論文引用量等。

談及自己上榜,王朝陽說其一跟自己從事的領(lǐng)域有關(guān),能源學科要遵守能量守恒定律,他把這稱作 “誠實的能源”,因此在能源學科中沒有捷徑,只有踏踏實實地做研究,持之以恒。

自 1994 年起,王朝陽開始做新能源電池,雖然新能源在當下很火,但在其研究生涯中,新能源也經(jīng)過了幾起幾落。此外,和他合作過的博士生,也在不斷給其提供新想法。

作為常年在海外的溫州人,疫情之前每年他都會回國幾次,參加過多次由現(xiàn)任中國科協(xié)主席萬鋼主持召開的新能源汽車世界大會,并擔任該大會技術(shù)委員會的委員。對于國內(nèi)汽車新能源行業(yè)的發(fā)展,更是保持著隨時關(guān)注。

新能源車企要時刻謹記能量守恒定律

王朝陽告訴 DeepTech,從絕對數(shù)量上來講,新能源汽車在快速增長,因為全球汽車行業(yè)都在往電動化和智能化轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)車企如福特、通用和大眾,都宣布在 2030 年到 2035 年不再生產(chǎn)燃油車。

因此,燃油車轉(zhuǎn)向電動車已成定局。現(xiàn)在電動車僅占 5% 的市場份額,即便全球人口增長放緩,光把電動車替換燃油車,就是一個巨大市場。

同時智能駕駛和無人駕駛的普及,也讓汽車不再是很多家庭的必備品,即可以使用共享汽車。目前私家車的使用頻率只有 5%-10%。而在使用共享汽車時,盡管汽車使用量會下降,但是使用頻率會增加。

2021 年初以來,不少大廠都表示要造車。王朝陽表示這種熱情是好的,但是車企不能忽視能量守恒定律。

他舉例稱,未來電動汽車可以充電一次可續(xù)航 1000 公里,而且當技術(shù)進一步發(fā)展后,有可能把電池包做到很小,但是開 1000 公里就必須得有 150 度電的能量,那必須付出很高成本、以及消耗大量原材料。與此同時,當能量達到如此之高,安全性也會堪憂。

因此,能源科學沒有 “花花繞”,必須牢記能量守恒定律。王朝陽說,假如我們多想想能量守恒定律,就能避免很多不該有的浪費。此外,節(jié)能依舊是是電動汽車及碳中和的第一位。

原文標題:王朝陽院士創(chuàng)飛行汽車電池性能記錄,充電速度是特斯拉的4倍!電池壽命可達到3800次循環(huán) | 專訪

文章出處:【微信公眾號:DeepTech深科技】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責任編輯:haq

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