全球气温升高、冰川融化、海平面上升……二氧化碳过度排放引发的系列气候和环境问题，让我们赖以生存的家园面临严峻挑战，并将严重威胁人类健康。据 Nature Communications 今年发表的一项最新研究，到本世纪末，预计每年将有460万人死于气候变化。[1]
人类活动导致的碳排放主要来源于化石燃料消费。因此，人们迫切地需要开发和应用更加高效、清洁的能源生产方式，以解决传统化石能源带来的储量与污染问题，并尽早实现碳中和目标。
随着技术发展和环保意识的提升，越来越多的绿色能源产品进入到我们的日常生活中，常见的绿色能源有风能、潮汐能、太阳能、地热能等等。但这些新能源通常具有间歇性发电的特点，难以直接并网供人们使用，因此需要开发大规模的高效储能装置。
目前常见的二次储能电池主要有铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池等。其中，锂离子电池以其高工作电压、快速充放电特性、长循环寿命、无记忆效应等众多优点，成为当今性能最为出众的二次电池。锂离子电池因便携式数码产品及电动汽车的大规模应用，受到国家和企业的大力推广，发展迅速。
然而锂离子电池汽车的续航和充电问题却让许多人在购车前犹豫不决，限制了电动车的大规模普及。现在很多纯电动汽车所标注的续航里程都是“60等速”，是在以60迈的速度下测量出来的续航里程，与实际续航里程相差甚远。实际开车中，开空调续航打七折，冬天开车再打对折，宣称续航600公里左右的电动车，冬天通常只能跑300多公里。
电动车冬夏续航衰减比例（图源搜狐）
在冬天，低温会让电动车的电池容量下降——锂离子电池储存与释放电能主要靠锂离子，当温度降低时，离子不爱动弹，迁移扩散能力降低，这就导致电池内阻增大。此外，当温度降到一定程度，电池内部电解液的黏度会像蜂蜜一样增大甚至凝固，使电池无法正常工作。
为了不让电动汽车在冬天“趴窝”，材料科学家和电池工程师在电池材料上提出了许多办法。例如在电解液当中掺入大量有机溶剂（如碳酸乙烯酯EC和其它低熔点有机溶剂混合形成二元、三元甚至四元体系的共混溶液等），这样可以大大降低电解液的凝固温度。[3]然而这样却造成电解液更加易燃，牺牲了电池的安全性。或者为锂离子电池配备加热装置，如空气预热、液体预热、电热器预热等方式，但其通常需要较高的空间需求以及较长的加热时间。[4]
如何让锂电池具有良好的低温性能，同时又安全性高、成本低、充电速度快，是该领域内一个高难度的挑战。
就在这个时代，告别电量焦虑
2022年，北京将要举办第24届冬季奥林匹运动会。北京冬天这么冷，如何保障电动车在低温下依然能够坚持长时间的工作？北京科技冬奥新能源汽车专家组专家，世界新能源汽车大会科技委员王朝阳院士提出，为参加北京冬奥会的电动汽车都装上抗冻的“心脏”。
王朝阳院士带领团队历经数年研究，发明了多类新型电池，如全气候电池(ACB)[5]、10分钟快充电池(FCB)[6]、硕安电池(SEB)[7]、常温全固态电池等。其中，全气候电池正是冬奥会电动汽车的抗冻“心脏”，该技术入选2022年度汽车十大技术趋势之一。
它的原理说来有些“剑走偏锋”：在极低温环境下，让电池利用仅剩的一点点能量，给自身加热。为了让电池能够在快充前迅速加热到指定温度，王朝阳团队在电池内部插入50 μm厚度的镍箔，一端连接到负极，另一端延伸到电池外部以形成第三端。
这个工作过程相当于电池内部快速短路，当温度较低时，系统控制连接正极和加热极耳间的加热控制开关闭合，电流通过镍箔产生可控内短路。由于有电流通过，在镍箔上就会产生热量，从而使电池迅速变热，将自己激活。一旦电池内部温度超过60 °C时，就会触发温度传感器并阻止电流通过镍箔，此时电池就做好了快速充电的准备。而不工作时，电池的温度会快速冷却到环境温度。
全气候电池示意图
而给自身加热的这部分电能，仅占电池总电能很小的一部分。全气候电池每升温10 °C大概消耗1.35%电量，这就意味着从-20 °C的环境中加热至60 °C仍能剩余89.2%的电量，仍可提供大于250 km的续航里程，电池循环次数仍超过2000次（以三天充一次电估算，使用寿命约16年），相当于用一小部分能量换取了整个电池的长效稳定工作。
王朝阳团队快充电池与常规电池的对比
相比于传统寻找新材料、改性已有材料的开发路径，王朝阳团队走的是一条更为“人迹罕至”的路：仅通过略微改变电池包内部结构，无需将已有电池制备设备全部淘汰。与普通电池包相比，全气候电池的重量增加不会超过1%，电池成本增加不超过5%，量产后成本增加可降至2%。与传统外部加热方式相比，电池自加热技术具有升温快速、耗能低、加热均匀的优点，能够解决电池在极寒环境下的使用“瓶颈”问题。因此，全气候电池具有非常广阔的应用前景 。
目前，北京理工大学联合相关单位已根据该思路完成了整个工作原理的验证并成功研发出电池系统产品样机，整车产品已经投入试验示范应用。[8]
全气候电池克服电池低温问题，彻底解决了电动汽车在冬季续驶里程急剧下降、无法启动、衰减、有安全隐患等诸多难题，对电动汽车的发展具有里程碑的意义。经过这样的技术“加持”，未来锂离子电池汽车将从容面对极寒气温的环境，突破锂离子电池汽车在严冬时的续航里程衰减痛点，为锂离子电池汽车的“二次破局”，进行更大范围市场推广奠定基础。
电动汽车要满足冬奥会的应用需求，除了要能够在低温环境下启动、续航和有效使用外，还需快速充电的能力。王朝阳院士在2019年发布的一项快充技术称，10分钟充电可让电动汽车充满80%，续航300公里到400公里，并且经过2500次充放电后，电池容量只有8.3%的损耗。而在当前的电池技术水平下，即使快充也需要30分钟充电到电池容量的80%，慢充则需要6-8小时，要想把电池充到100%则需要更久的时间。
车型
慢充时间 / h
快充时间 / h
续航里程 / km
小鹏G3
4.3
0.5-0.75
460
特斯拉Model 3
6-7
0.25（42%）
675
理想ONE
6
0.5
188
北汽E150EV
8
2
150
比亚迪E6
20
2
300
江淮和悦IEV4
8
2.5
200
奇瑞eQ
8-10
0.5
200
腾势
5
1.5-2
250
北汽C70GB
>10
2
130
荣威E50
6-8
1.5
180
赛欧SPRINGO
7.5
-
130
长安E30
8
1.5
160
众泰知豆E20
6
1
120
力帆LF7002EV
7
-
150
常见电动汽车充电时长
锂电，未来
可以预期的是，未来随着科学技术的不断发展，总有一天，我们能大规模应用上大容量、充电快、安全性高的电池包，而电动汽车充电也会变得像燃油车一样方便，电动汽车将不再有禁区。未来，我们不会再看到新闻上报道某电动汽车车主假期回家，路上充电花了十几个小时的新闻，不会在充电的时候还需要吃个午饭喝个下午茶才能补电成功。甚至，我们还能拥有自己的电动飞机，上班回家再也不拥堵。
11月6日，腾讯科学WE大会上，王朝阳教授及数位全球顶尖科学家将为大家分享最新科学突破。一起来线上赴约吧！
[1] Bressler R D. The mortality cost of carbon[J].Nature communications, 2021, 12(1): 1-12. https://doi.org/10.1038/s41467-021-24487-w.
[2] https://www.sohu.com/a/282797848_383324
[3]韦连梅, 燕溪溪, 张素娜, 等. 锂离子电池低温电解液研究进展[J]. 储能科学与技术, 2017, 6(1): 69-77.https://doi.org/10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0065
[4] Wu S, Xiong R, Li H, et al. The state of the art on preheating lithium-ion batteries in cold weather[J]. Journal of Energy Storage, 2020, 27: 101059.https://doi.org/10.1016/j.est.2019.101059
[5] Wang C Y, Zhang G, Ge S, et al. Lithium-ion battery structure that self-heats at low temperatures [J]. Nature, 2016, 529(7587): 515-518.https://doi.org/10.1038/nature16502
[6] Yang X G, Liu T, Wang C Y. Thermally modulated lithium iron phosphate batteries for mass-market electric vehicles [J]. Nature Energy, 2021, 6(2): 176-185.https://doi.org/10.1038/s41560-020-00757-7
[7] Ge S, Leng Y, Liu T, et al. A new approach to both high safety and high performance of lithium-ion batteries [J]. Science advances, 2020, 6(9): eaay7633.https://doi.org/10.1126/sciadv.aay7633
[8]http://kw.beijing.gov.cn/art/2019/1/17/art_6382_563980.html
作者
姓施的瓦辛格
北京科技大学博士
助理研究员
材料科学和平面设计领域科普作者
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