王朝陽院士創飛行汽車電池性能記錄，充電速度是特斯拉的4倍

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

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

圖 | 王朝陽（來源：受訪者）

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

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

圖 | 相關論文（來源：Joule）

5-10 分鐘即可充滿電，循環使用壽命超過 2000 次

王朝陽發現，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鍵，只有這樣才能既降低成本、同時實現最大化營收。

圖 | 飛行汽車概念圖（來源：公衆號公共圖片庫）

當前，電動汽車電池使用快充技術的場景，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，在一年內要完成約 1600 次滿充滿放循環，這等於續航 400 公里的電動汽車在一年內行駛 64 萬公里。這會給飛行汽車電池的充電能力和循環壽命，帶來極爲苛刻的要求。

爲此，王朝陽使用熱調控快速充電技術，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。

圖 | 271Wh/kg 電池實現高有效載荷、以及 “10 分鐘 - 80 公里” 的電動駕駛充電（來源：受訪者）

相比傳統電動汽車電池，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 分鐘內就把電充滿。

採用高溫快充方法，王朝陽不僅實現了電池快充，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於高溫的時間，從而避免材料老化、進而保證循環壽命。

而該團隊發明的新電池，正是基於熱調控原理，王朝陽把一片 10 微米的鎳箔，放進電池芯中作爲發熱體，電池自身能量可讓電芯極速升溫，通過熱調控技術即可實現電池無損傷快充和大功率輸出。

圖 | 電動汽車的電動垂直起降方式（Electric vertical takeoff and landing，eVTOL）與電動汽車的電池要求（來源：受訪者）

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

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

結果顯示，以一款 215Wh/kg 的電池爲例，搭載熱調控技術的電池，可在 5 分鐘內充滿 80 公里飛行距離所需的能量，且電池壽命可達到 3800 次循環。

對於更高能量密度的 271 Wh/kg 電池，搭載熱調控技術的電池可在 10 分鐘內充滿電，壽命可達 2000 次循環。據該團隊介紹，這是截至目前已報道的飛行汽車電池快充實驗中的最好成果。

圖 | 電動垂直起降方式對電池特定功率和能量的要求（來源：受訪者）

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，採用熱刺激方法，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。單就熱調控快速充電技術，該團隊已申請一百多項專利。

事實上，熱調控快充技術用於新能源電動汽車已經五年有餘，該技術可解決電動汽車冬季趴窩的問題，並被 2022 年冬奧會採用，屆時就會展示給全球觀衆。而把該技術用於飛行汽車，本次研究屬於首次展示。

王朝陽告訴 DeepTech，飛行汽車電池必須要滿足幾個數據，本次研究均已實現。

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，並具備飛行 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。

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。”

圖 | 快速充電和循環壽命對電動垂直起降方式電池的重要性（來源：受訪者）

波音公司等一百多家企業均在研發飛行汽車

當前全球大概有一百多個飛行汽車初創公司，大型企業美國波音公司、歐洲空中客車公司（Airbus）也都有相關研發團隊。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。

圖 | 波音公司的自主乘用車飛行器（來源：波音公司官網）

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，因爲飛行汽車等於從地面二維空間、上升至空中三維空間，這等於擴寬了都市出行的可能性。以北京、上海爲例，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展。

目前，全球尚未出臺飛行汽車的交通規則，但他預測規則會更簡單，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來看，飛行汽車的無人駕駛會更容易研發，因爲後者無需考慮樹木等地面障礙物。

至於飛行汽車和小型直升機的區別，他表示由於天空是三維的，因此可把 500 米的高度設置爲飛行汽車軌道，1000 米高度設置爲小飛機軌道，更高的高度可設置爲客機軌道，同時它們的交通規則也不相同。

以空中配送爲例，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。

按照美國現在的模式，城市大樓上會設有飛行汽車停靠站，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。”

左手創業，右手科研

幾年前，王朝陽在美國創辦了鋰電池公司 EC Power，主要業務是研發新型電池，並有一個用於打樣的小工廠，做成樣品後讓廠商來試用。

假如廠商預估市場前景不錯，EC Power 就會把授權技術許可給其他公司，從而把新技術引入市場。比如，此前他就把全氣候電池技術授權給寶馬公司。而他創辦的另一家公司 Autolion，已於 2018 年被併購。

圖 | EC Power公司介紹（來源：EC Power官網首頁）

王朝陽認爲，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，並且含有很高的容量。

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

最近，王朝陽上榜了美國斯坦福大學發佈的全球前 2% 頂尖科學家榜單（World’s Top 2% Scientists 2020）， 名次在前五十名中。該榜單的統計範圍爲 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域有關，能源學科要遵守能量守恆定律，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，持之以恆。

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。

作爲常年在海外的溫州人，疫情之前每年他都會回國幾次，參加過多次由現任中國科協主席萬鋼主持召開的新能源汽車世界大會，並擔任該大會技術委員會的委員。對於國內汽車新能源行業的發展，更是保持着隨時關注。

新能源車企要時刻謹記能量守恆定律

王朝陽告訴 DeepTech，從絕對數量上來講，新能源汽車在快速增長，因爲全球汽車行業都在往電動化和智能化轉變。傳統車企如福特、通用和大衆，都宣佈在 2030 年到 2035 年不再生產燃油車。

因此，燃油車轉向電動車已成定局。現在電動車僅佔 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，儘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恆定律。

他舉例稱，未來電動汽車可以充電一次可續航 1000 公里，而且當技術進一步發展後，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”，必須牢記能量守恆定律。王朝陽說，假如我們多想想能量守恆定律，就能避免很多不該有的浪費。此外，節能依舊是是電動汽車及碳中和的第一位。