美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)王朝陽(yáng)教授

2017年8月，一則《低溫電池問(wèn)世 全力保障2022年冬奧會(huì)》的新聞，曾在業(yè)內(nèi)引起廣泛關(guān)注。這意味著鋰離子動(dòng)力電池戰(zhàn)勝?lài)?yán)寒，成為全氣候電芯，將幫助電動(dòng)汽車(chē)在寒冷地區(qū)運(yùn)營(yíng)。

這一全氣候電池原理的提出者，是美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)電化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)中心主任王朝陽(yáng)教授。在提出鋰離子電池全氣候解決方案兩年后，王朝陽(yáng)又帶來(lái)了鋰離子動(dòng)力電池方面的新進(jìn)展——免管理電池（MFB）。他在1月13日，中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì)第五屆論壇（2019）上，進(jìn)行了詳細(xì)的講解。

王朝陽(yáng)的MFB電池，采取了聽(tīng)起來(lái)有些奇特的制備方案，先鈍化正極材料和電解液，然后加溫應(yīng)用。王朝陽(yáng)稱(chēng)， MFB有望在提高動(dòng)力電池安全性、簡(jiǎn)化熱管理系統(tǒng)、提升電池集成效率上做出突出。王朝陽(yáng)據(jù)此問(wèn)：“MFB是不是我們的終極電池？大家可以考慮?！?/strong>

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從電池自加熱到MFB

“比能量越高，則穩(wěn)定性越差”，二者不可兼得。

常規(guī)鋰電池研究思路是，采用活性更高材料替換原有材料，比如：NCM替換LFP、NCM811替換NCM622/523等。但在提升電池能量的同時(shí)，其安全性必然做出一定犧牲。

王朝陽(yáng)研究思路正好與之相反，他的設(shè)想是將活性材料“鈍化”。他主張利用磷酸鐵鋰材料對(duì)三元材料進(jìn)行包覆，比如對(duì)NCM8119055(鎳90%、鈷5%、錳5%)進(jìn)行包覆，增加其穩(wěn)定性；或者在電解液中添加添加劑，來(lái)增加電池的內(nèi)阻，抑制電池材料活性，保證電池安全。

王朝陽(yáng)介紹，經(jīng)過(guò)以上處理形成的MFB體系常溫內(nèi)阻是原有材料體系內(nèi)阻的 4-5倍，相當(dāng)于讓常溫下電池進(jìn)入“冬眠狀態(tài)”，放電功率損失4-5倍，材料活性被抑制，提升了電池穩(wěn)定性。

將MFB體系和改性前原材料做成2.8Ah的電池產(chǎn)品進(jìn)行針刺對(duì)比實(shí)驗(yàn)，MFB產(chǎn)品針刺實(shí)驗(yàn)過(guò)程中峰值溫度僅在100℃左右，而對(duì)比產(chǎn)品峰值溫度則要高達(dá)1000℃。

但有一個(gè)問(wèn)題仍需要解決，內(nèi)阻增大的電池如何正常使用呢？

王朝陽(yáng)介紹，需要用熱刺激方式迅速調(diào)制電化學(xué)的動(dòng)力特性，讓MFB電池輸出高功率。

王朝陽(yáng)介紹，盡管MFB材料常溫內(nèi)阻很大，但通過(guò)內(nèi)加熱刺激，其內(nèi)阻會(huì)大幅降低。經(jīng)測(cè)算，在60℃時(shí)，其功率將超過(guò)正常電池功率水平1.72倍——這將使得電池充電速度提升1.72倍。

這種內(nèi)加熱技術(shù)也正是全氣候電池中使用的核心技術(shù)。王朝陽(yáng)介紹，這種加熱結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，在原有電池結(jié)構(gòu)中增加一個(gè)鎳片，并延伸一個(gè)回路，閉合開(kāi)關(guān)可使電池內(nèi)部迅速升溫。從常溫25℃上升至60℃僅需要7秒鐘，用3%能耗升溫20-30攝氏度，內(nèi)阻降低到與正常電池一致。添加的鎳片僅5微米厚，幾乎不增加電池重量，這使得電池能量密度也得到了保證。

王朝陽(yáng)表示，MFB電池在50℃時(shí)就可以滿(mǎn)足正常的工作需求，而在60℃時(shí)實(shí)際上是超出正常電池的工作范圍的。另外一方面，在常溫下，由于電池內(nèi)阻比傳統(tǒng)電池大5倍，所以其老化也隨之小5倍，一定程度上延長(zhǎng)了電池的使用壽命。MFB經(jīng)測(cè)試在60℃的工作環(huán)境下，其循環(huán)次數(shù)仍超過(guò)2000次。而普通電池產(chǎn)品在60℃的條件下循環(huán)壽命將少于500次。一次循環(huán)按照300公里計(jì)算，MFB電池循環(huán)壽命期間續(xù)駛里程將超過(guò)60萬(wàn)公里，可以滿(mǎn)足車(chē)載需要。

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MFB為何不需要管理

MFB另一個(gè)逆天之處是不需要復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)和BMS系統(tǒng)。

王朝陽(yáng)認(rèn)為，傳統(tǒng)電池工作溫度為30℃，而MFB工作溫度為60℃，假設(shè)冷卻界面溫度為25℃，兩者之間的溫差相差7倍。根據(jù)熱傳系數(shù)計(jì)算，MFB電池對(duì)熱管理的需求遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電池，對(duì)電池?zé)峁芾淼男枨蠓浅：?jiǎn)單，甚至不需要熱管理系統(tǒng)，僅使用自然對(duì)流就足夠了。

另外一方面，MFB電池將大大簡(jiǎn)化BMS系統(tǒng)。MFB電芯工況使用條件比較簡(jiǎn)單，只需要10秒時(shí)間將電芯溫度升至60℃即可，電池的SOC、SOP都非常容易估算。

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鋰電池從全氣候到免維護(hù)

王朝陽(yáng)對(duì)《電動(dòng)汽車(chē)觀察家》表示，基于MFB體系的動(dòng)力電池已經(jīng)有國(guó)內(nèi)廠商在著手量產(chǎn)了，其他細(xì)節(jié)暫時(shí)無(wú)法透露，國(guó)內(nèi)研究成果轉(zhuǎn)化速度之快讓其無(wú)比贊嘆。

談及全氣候鋰電池方案，王朝陽(yáng)表示這離不開(kāi)中國(guó)工程院院士孫逢春領(lǐng)導(dǎo)的執(zhí)行團(tuán)隊(duì)的持續(xù)推進(jìn)?！皟赡昵?，我將鋰離子電池內(nèi)加熱技術(shù)的論文發(fā)表在《自然》期刊上，孫逢春院士通過(guò)郵件與我取得聯(lián)系，在此之前我們并不認(rèn)識(shí)。我們看到這個(gè)方案已經(jīng)在持續(xù)的推進(jìn)中了，去年已經(jīng)在內(nèi)蒙古海拉爾進(jìn)行了-40℃嚴(yán)寒測(cè)試，聽(tīng)說(shuō)下個(gè)禮拜還將開(kāi)展第二次試驗(yàn)。”

王朝陽(yáng)介紹，根據(jù)近期測(cè)試結(jié)果，在-30℃條件下，全氣候電池續(xù)航里程依然可以達(dá)到常溫續(xù)航的92%。（完）