特斯拉、蔚來、比亞迪等諸多品牌的電動汽車在近兩年的自燃事件“你方唱罷我登場”，接二連三的事故讓新能源汽車的安全問題成為社會關注的焦點。而在近日，保時捷也加入到電車“自燃大軍”之中，其在美國首批交付的 130 輛 Taycan 電動車中的一輛在車庫中自燃，被燒得只剩下骨架，甚至連車庫也沒能倖免，被燒得面目全非，損失慘重。

隨著人們對電子產品效能要求的不斷提高，比如手機遊戲越發大型、精緻，視訊直播、拍照修圖的需求也越來越多，我們一方面要求電池可以提供更高的能量密度，延長續航時間；另一方面還要求能夠快速地充電，以便適應快節奏生活。

但三星 Galaxy Note 7 手機的“爆炸門”和其他手機在充電時發生危險的新聞，以及電動汽車的不斷起火事故，種種情況都指向了一個核心問題：在追求更高能量密度和充電效率的電池時，人們往往會忽視最根本的電池安全問題。雖然電動車自燃起火的原因很多很複雜，但總體來講，主要還是電池的問題。尤其 Taycan 電車宣傳的目前量產純電動車中充電速率最快的 800V 快充技術，充電 5 分鐘可達 100 km 續航，或許在安全性上驗證了“欲速則不達”這句話。

圖 | 保時捷 Taycan 和被燒燬的樣子（來源：YouTube）

電池的反應活性和穩定性，對於研究人員來說就像魚和熊掌一般，二者不可得兼。鋰離子電池現在廣泛應用於電動汽車、消費電子裝置和固定能源儲存系統中。追求高安全性和高能量密度，是其發展程序中的一個永恆主題。而要讓電池達到更高的能量密度和充電速度，唯有提高化學反應活性一途，如此一來，穩定性自然就會受到影響，進而可能帶來潛在的安全隱患，這成為了一個“悖論”。

現在，美國賓夕法尼亞州立大學終身教授王朝陽院士，帶領研究團隊克服了電池材料反應活性與穩定性之間的矛盾，研製出一種安全效能得到數倍提升的新型電池——SEB（Safe and Energy-dense Battery）。王朝陽表示，研究團隊將其稱為“碩安”電池，意指其大能量，又高安全。該成果在 2020 年 2 月 28 日發表於國際頂級期刊、《科學》的子刊《Science Advances》上。

在鋰電池行業，流行著一句話：“作為能量載體，本質安全的電池是沒有的。”但是，王朝陽團隊的這項研究能夠大幅度提高電池的安全性，或將徹底解決電動汽車的自燃問題。

通常情況下，電池的效能、安全性與使用壽命均取決於陽極和陰極各自與電解質介面之間的電化學反應活性。常見的鋰電池研究思路基本是，用更活潑的材料來替代原有材料，比如三元鋰電池中用 NCM（鎳、鈷、錳）替換 LFP（磷酸鐵），或者是用 NCM 811 替換 NCM 622/523 等。

但問題就來了，擁有高活性的電極/電解質材料，會導致安全性下降。所以追求高效能、快充電速度的研究在安全性上勢必會做出一定犧牲。此外，這種高活性材料即便在電池不被使用時也會逐漸退化，從而降低使用壽命。

而王朝陽的研究思路則另闢蹊徑，他“以退為進”，先將活性材料鈍化，提高電池的安全效能；然後，再給電池加上一個“控制工作的開關”，讓電池只有在工作時才會以最佳狀態呈現（在使用前瞬間加熱到 60℃ 來保障高功率運作），其餘時間則處於“冬眠”狀態。這樣一來，既可以保證電池的安全性，又可以延長電池的使用壽命。

研究人員首先通過使用高穩定性的材料，並建立了更穩定的電極/電解質介面（EEI），設計出一種擁有更高的電荷轉移電阻（Rct）和直流電阻（DCR）的新型鈍化電池。“經過鈍化的電池內阻是原有材料體系內阻的 5~10 倍，針剌最高溫度從 1000℃ 降到 100℃ 以下。這相當於讓電池在常溫環境下進入‘冬眠狀態’，抑制了材料活性，提升電池安全性。”王朝陽解釋說。

此外，高穩定性的鈍化電池可以使用最高比容量的活性材料和超厚電池，進一步保障了電芯的最高比能。

而在增大了電池內阻之後，如何讓電池仍然能正常使用？王朝陽表示：“我們用熱刺激的辦法可快速調節電池的電化學動力特徵，使其輸入高功率。”研究人員在鈍化電池中加入一種自加熱結構，以每秒 1~5 ℃的速度使電池均勻升溫，只需 10~20 秒便可將電池加熱到 60 ℃，而在該溫度下電池就會以高功率正常使用。

“SEB 電池的效能與環境溫度或天氣無關，因為它可以在幾秒鐘內被加熱，並在恆定的高溫下工作。雖然將電池加熱到較高的溫度會消耗電池能量，但經過實驗驗證，結果與直覺正相反，電池的總輸出能量並沒有減少。”王朝陽說，“除此之外，拿電動汽車為例，絕大部分時間車是停著的，電池沒有被使用。那該新型鈍化電池在常溫條件下容量衰減也變得更為緩慢，經過充放電迴圈測試，SEB 電池的使用壽命也遠超當下的同類電池。”

目前，這款新型鈍化電池在 60 ℃ 環境下完成了 4000 多次的迴圈壽命檢驗，相當於 160 萬公里壽命（假設每次充滿電的行駛里程是400 公里）。而這也打破了當下鋰電池的壽命紀錄，將為長時間作業的車輛，比如計程車、物流貨車、皮卡、大巴等提供更長壽命的保證。

“我們的百萬公里長壽命電池位元斯拉的研究要更為領先，因為我們的新型鈍化電池是在 60 ℃ 的高溫條件下做到的，而特斯拉是在常溫做到的。”王朝陽說道。

對於電池的未來發展，固態電池作為被諾獎得主“足夠好”老爺子（John B. Goodenough）“欽點”的方向，受到了科學界與產業界的極大關注，也有眾多學者、公司投入到相關的科學研究中。王朝陽表示：“2025 年也許會有固態電池的樣本；而可大規模生產的固態電池，預計在 2030 年才會出現。在中間這十年裡，也會存在很多潛在創新。未來的固態電池同樣可以使用該設計來提高電池的活性。”

“我們的研究目標就是要能夠商業化。”王朝陽說。和其他高校的實驗室不完全相同，王朝陽所在機構本身擁有研發與應用結合非常成熟的系統。賓州州立大學專門設有電化學發動機中心和電池與儲能技術研究院，擁有全球領先的科研團隊，專長電池科學的基礎研究。王朝陽是該研究院的院長。同時，他的團隊還孵化出 EC Power 公司，專門從事新產品的開發和為新技術的商業化服務。

王朝陽稱，“我們在注重未來電池科學的基礎研究的同時，也著眼於如何顛覆當下使用的電池的效能與安全性，因為這是和新能源汽車等產業發展息息相關的，是會直接影響到人們需求的。”

這款新型鈍化電池的關鍵所在——“溫控開關”，源於王朝陽團隊在 2016 年發於《自然》期刊的全氣候電池發明。當時，為了解決電池在寒冷氣候和高海拔地區的功率銳減等使用問題，他們發明了一種插入到傳統電池結構中的金屬箔結構。該技術可以對電池進行均勻的內部加熱，併為電極和電解質提供快速熱傳遞；這個自熱功能是通過關閉啟用端子和負極端子之間的開關來控制的。

圖 | 在三個基本的電池元件：陽極（Anode）、陰極（Cathode）和電解質（Elecetrolyte）之外，添加了第四個元件——鎳箔（Metalfoil）（來源：Nature）

王朝陽表示，這正驗證了他們的開發思路——不斷地推進研發，將階段性成果投入到規模化應用測試；再進一步深化研究，對其優化創新。目前全天候電池技術已被北汽、集團，以及BMW公司等採用，以便讓電動汽車不再受溫度或者環境所限。王朝陽介紹說，“這項工作是與中國工程院院士孫逢春團隊共同合作的，是2022 年冬奧會上新能源汽車的指定保障技術。”

此外，給電池自加熱的鎳箔片厚度目前已經降至微米級，體積和重量給原電池結構帶來的變化不會超過 1%。據估算，成本也只有原材料成本的 0.4%左右。“而且，該自加熱結構對電池來說是平臺級別的技術。”王朝陽補充道，“除了目前液體電池之外，未來固態電池同樣需要該設計來提高電池的反應活性。”

在 2019 年 10 月，王朝陽的團隊還曾研究出 60 ℃ 下的鋰電快充技術，真正意義上做到10分鐘內充滿電動汽車 80% 的電量，續航可達 300 公里至 400 公里，並且在經過 2500 次充放電後，容量只有 8.3% 的損耗。作為對比，特斯拉的 Model S 目前快充效率為 40 分鐘充電 80%。而這種熱刺激技術，屬於主動控制，沒有改變材料本身特性，所以不會影響安全效能。

王朝陽對 DeepTech 表示：“目前的研究方向之一，就是將快充技術與新型的鈍化電池結合，這樣就會更大程度地提高電池能力和價效比。我研究鋰電池的時間已經 25 多年，期間一直堅信研究出的方法越簡單，技術就越成熟，實用價值越高。”

王朝陽是美國國家發明家科學院院士，賓夕法尼亞州立大學機械工程講席教授，化學工程、材料科學與工程傑出教授，賓州大電化學發動機中心和電池與儲能技術研究院主任，eTransportation 的編委。

他在鋰離子電池和燃料電池方面發表過 220 多篇期刊論文，被引量超過 3 萬次，H 指數為 98，是湯森路透評選的“工程學高被引科學家”之一。他擁有 80多項專利、兩本專著。其關於全氣候電池（ACB）的研究發表在《自然》雜誌上，並且被 2022 年北京冬奧會及全球數家汽車製造商所採用。他發明的“速熱快充電池”（FCB）技術發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）和 Joule 上，受到世界各大主流媒體的關注和報道。