美國賓夕法尼亞大學王朝陽教授

2017年8月，一則《低溫電池問世 全力保障2022年冬奧會》的新聞，曾在業內引起廣泛關注。這意味著鋰離子動力電池戰勝嚴寒，成為全氣候電芯，將幫助電動汽車在寒冷地區運營。

這一全氣候電池原理的提出者，是美國賓夕法尼亞州立大學電化學發動機中心主任王朝陽教授。在提出鋰離子電池全氣候解決方案兩年后，王朝陽又帶來了鋰離子動力電池方面的新進展——免管理電池（MFB）。他在1月13日，中國電動汽車百人會第五屆論壇（2019）上，進行了詳細的講解。

王朝陽的MFB電池，采取了聽起來有些奇特的制備方案，先鈍化正極材料和電解液，然后加溫應用。王朝陽稱， MFB有望在提高動力電池安全性、簡化熱管理系統、提升電池集成效率上做出突出。王朝陽據此問：“MFB是不是我們的終極電池？大家可以考慮。”

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從電池自加熱到MFB

“比能量越高，則穩定性越差”，二者不可兼得。

常規鋰電池研究思路是，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，其安全性必然做出一定犧牲。

王朝陽研究思路正好與之相反，他的設想是將活性材料“鈍化”。他主張利用磷酸鐵鋰材料對三元材料進行包覆，比如對NCM8119055(鎳90%、鈷5%、錳5%)進行包覆，增加其穩定性；或者在電解液中添加添加劑，來增加電池的內阻，抑制電池材料活性，保證電池安全。

王朝陽介紹，經過以上處理形成的MFB體系常溫內阻是原有材料體系內阻的 4-5倍，相當于讓常溫下電池進入“冬眠狀態”，放電功率損失4-5倍，材料活性被抑制，提升了電池穩定性。

將MFB體系和改性前原材料做成2.8Ah的電池產品進行針刺對比實驗，MFB產品針刺實驗過程中峰值溫度僅在100℃左右，而對比產品峰值溫度則要高達1000℃。

但有一個問題仍需要解決，內阻增大的電池如何正常使用呢？

王朝陽介紹，需要用熱刺激方式迅速調制電化學的動力特性，讓MFB電池輸出高功率。

王朝陽介紹，盡管MFB材料常溫內阻很大，但通過內加熱刺激，其內阻會大幅降低。經測算，在60℃時，其功率將超過正常電池功率水平1.72倍——這將使得電池充電速度提升1.72倍。

這種內加熱技術也正是全氣候電池中使用的核心技術。王朝陽介紹，這種加熱結構非常簡單，在原有電池結構中增加一個鎳片，并延伸一個回路，閉合開關可使電池內部迅速升溫。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。

王朝陽表示，MFB電池在50℃時就可以滿足正常的工作需求，而在60℃時實際上是超出正常電池的工作范圍的。另外一方面，在常溫下，由于電池內阻比傳統電池大5倍，所以其老化也隨之小5倍，一定程度上延長了電池的使用壽命。MFB經測試在60℃的工作環境下，其循環次數仍超過2000次。而普通電池產品在60℃的條件下循環壽命將少于500次。一次循環按照300公里計算，MFB電池循環壽命期間續駛里程將超過60萬公里，可以滿足車載需要。

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MFB為何不需要管理

MFB另一個逆天之處是不需要復雜的熱管理系統和BMS系統。

王朝陽認為，傳統電池工作溫度為30℃，而MFB工作溫度為60℃，假設冷卻界面溫度為25℃，兩者之間的溫差相差7倍。根據熱傳系數計算，MFB電池對熱管理的需求遠低于傳統電池，對電池熱管理的需求非常簡單，甚至不需要熱管理系統，僅使用自然對流就足夠了。

另外一方面，MFB電池將大大簡化BMS系統。MFB電芯工況使用條件比較簡單，只需要10秒時間將電芯溫度升至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

王朝陽對《電動汽車觀察家》表示，基于MFB體系的動力電池已經有國內廠商在著手量產了，其他細節暫時無法透露，國內研究成果轉化速度之快讓其無比贊嘆。

談及全氣候鋰電池方案，王朝陽表示這離不開中國工程院院士孫逢春領導的執行團隊的持續推進。“兩年前，我將鋰離子電池內加熱技術的論文發表在《自然》期刊上，孫逢春院士通過郵件與我取得聯系，在此之前我們并不認識。我們看到這個方案已經在持續的推進中了，去年已經在內蒙古海拉爾進行了-40℃嚴寒測試，聽說下個禮拜還將開展第二次試驗。”

王朝陽介紹，根據近期測試結果，在-30℃條件下，全氣候電池續航里程依然可以達到常溫續航的92%。（完）

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