Experto Wang Chaoyang: ¿Se puede confiar en un vehículo eléctrico con un tiempo de carga de 8 minutos y una autonomía de 1.000 km?
Este cuenco de "agua fría" llega al final. momento adecuado. ¿Es práctica una batería de larga duración? ¿Pueden las baterías de gran capacidad y la carga ultrarrápida cumplir con los requisitos de seguridad? Estas cuestiones relacionadas con los puntos débiles de los consumidores requieren un análisis sereno por parte de la industria.
Conectamos con Wang Chaoyang, académico de la Academia Nacional de Inventores y profesor titular del Departamento de Ingeniería Mecánica, Ingeniería Química y Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Estatal de Pensilvania, y le pedimos que hablara sobre el Desarrollo de baterías para vehículos eléctricos.
El trabajo de investigación de Chaoyang Wang se centra en el transporte, la fabricación de materiales y el modelado de baterías y pilas de combustible, y posee más de 90 patentes (EE.UU., China, UE y Japón). Su investigación sobre la tecnología de baterías para todo clima (ACB) se publicó en Nature y luego fue seleccionada por los Juegos Olímpicos de Invierno de 2022 para impulsar vehículos eléctricos olímpicos. También lanzó una tecnología de carga rápida en 2019, diciendo que 10 minutos de carga pueden hacer que un vehículo eléctrico esté completamente cargado al 80%, con un alcance de 300 a 400 km, y la capacidad de la batería solo perderá un 8,3% después de 2.500 cargas y descargas. Recientemente, el equipo de Wang Chaoyang desarrolló una batería de fosfato de hierro y litio (TMB) controlada térmicamente que puede satisfacer las necesidades de bajo costo, súper seguridad, larga vida útil y para todo tipo de clima. Este resultado fue publicado en la revista más importante del mundo "Nature?" Revista Energía.
Al hablar de las noticias candentes sobre las baterías, enfatizó repetidamente la ley de conservación de la energía. Dijo: "Todas las noticias, todos los comunicados o algunas historias que escuchamos, si las analizamos usando una simple ley de conservación de la energía, podemos conocer su autenticidad y confiabilidad".
Por qué es un pato: Recientemente, el académico Gao criticó la larga duración de la batería y la carga súper rápida. ¿Es esto una desalineación entre la industria y la investigación de laboratorio? ¿O hay alguna exageración por parte de la empresa?
Wang Chaoyang: Esto es problemático tanto desde el punto de vista científico como comercial.
El problema empresarial es sencillo. Si la duración de la batería es de 1.000 kilómetros, se necesitan aproximadamente 150 kWh. Incluso si se necesitan 10 minutos para cargar 150 kWh, probablemente se necesite una pila de carga con una potencia de carga de 900 kW, que aún no está disponible. La pila de carga de tercera generación de Tesla de mayor potencia es de 250 kW, por lo que desde una perspectiva comercial,
desde una perspectiva científica, también existe un gran problema. Para una autonomía de crucero tan larga, la batería debe tener una alta densidad de energía. Por ejemplo, el cobro de seis tarifas es actualmente científicamente insostenible; al menos no existen informes de este tipo y no ha sido revisado por científicos pares.
De hecho, existe un juicio científico muy simple de que los tres datos deben coexistir y uno es indispensable. El primero es el tiempo de carga; el segundo es la cantidad de energía o autonomía que se obtiene después de la carga; el tercer dato es cuántas veces se puede ciclar la batería, lo cual también es importante. Si cargas rápidamente, obtendrás mucha energía, pero sólo desperdiciarás la batería una o dos veces. Esta no es una tecnología nueva, todos la hacemos como estudiantes de primer año.
Estos tres datos son indispensables. Con esta regla, básicamente cualquier noticia publicada por los medios o las empresas puede ser juzgada por uno mismo.
La industria energética debe cumplir con la ley de conservación de energía, es decir, la potencia de carga multiplicada por el tiempo de carga es la cantidad de energía. Basándonos en la simple ley de conservación de la energía, podemos calcular inmediatamente de qué están hablando.
Por qué Duck: el público tiene grandes expectativas sobre algunas tecnologías negras y espera una tecnología innovadora.
Wang Chaoyang: Todo el mundo lo espera con ansias, pero todas las tecnologías negras deben basarse en la ley de conservación de la energía. Ésta es la regla básica. Si se descubre que la tecnología negra es una máquina de movimiento perpetuo y no cumple con la conservación de la energía, este problema técnico será enorme.
Por qué agacharse: echemos un vistazo a la investigación que acaba de publicar. ¿Cuál es la diferencia fundamental entre esta batería de bajo precio y la tecnología de carga rápida lanzada en junio de 2019?
Chaoyang Wang: La diferencia más fundamental es que nuestra investigación se centra en un tema: reducir el coste de las baterías.
Solo esperamos que el coste de las baterías pueda reducirse al mismo nivel que el de los motores de combustible, para que los vehículos eléctricos del mercado masivo puedan volverse populares. Es de gran importancia para reducir las emisiones de carbono. Es imposible lograr la neutralidad de carbono simplemente vendiendo unos miles de coches eléctricos de alta gama.
Una expresión más vívida y simple es que podemos reducir el costo total de la batería miniaturizando el paquete de baterías y luego manteniendo el costo unitario en un nivel relativamente bajo.
Esta dirección es exactamente opuesta a la dirección de muchas empresas automotrices nacionales, que es una batería de larga duración. Para desarrollar una batería con una duración de 1.000 kilómetros, ¿cuál es el concepto de una batería con una duración de 150 grados? Tomando como ejemplo la batería ternaria de litio actual, un vatio cuesta un yuan y esta batería de 150 grados cuesta 150.000 yuanes. Este automóvil no es un automóvil eléctrico para el mercado masivo y el costo de la batería es demasiado alto.
Además, estás corriendo con una batería tan grande. Peligroso, ¿verdad? Se trata de un gran paquete energético.
Así que aplicamos algunas de nuestras tecnologías anteriores a las baterías nuevas, incluido el hecho de que el fosfato de hierro y litio tradicional no funciona bien en invierno, por lo que nuestras baterías no se ven afectadas por la temperatura ambiente porque nuestras baterías deben ser avanzadas. Precalentar con antelación a 60 grados para que funcione, siempre te dará buen rendimiento.
Esta batería para todo el día está probada. Esta batería se utilizará en los Juegos Olímpicos de Invierno de 2022 y cuenta con una gran cantidad de resultados de pruebas de vehículos, incluidos los resultados de las pruebas de estos equipos en Heihe, noreste de China.
Por qué agacharse: obtenga información sobre las baterías para todo clima (baterías autocalentables).
Wang Chaoyang: Las baterías tradicionales de iones de litio son particularmente sensibles al frío. Si la temperatura es inferior, la transmisión de iones de litio entre los electrodos positivo y negativo se ve muy dificultada, por lo que su rendimiento se reduce en un factor de 9 a 10.
El método tradicional consiste en utilizar calefacción externa, pero ésta consume mucha energía y no es muy directa. Lleva mucho tiempo, más de una hora, y no puede satisfacer las necesidades de uso inmediato de los consumidores y no se puede cargar rápidamente en invierno.
Nuestra batería para todo clima se fabrica agregando una lámina de níquel al núcleo de la batería. La lámina de níquel tiene solo 10 micras, lo que puede generar autocalentamiento y hacer que la temperatura de la batería aumente rápidamente. Aunque la temperatura ambiente está por debajo de cero, hemos logrado un aumento de temperatura de 60 a 200 grados por minuto, mientras que el calentamiento externo tradicional es generalmente de 0,5 a 1 grado por minuto. Nuestra velocidad ha aumentado en dos órdenes de magnitud. Generalmente, la batería solo tarda decenas de segundos en calentarse y luego funcionar normalmente.
Además, tras una extensa investigación experimental, descubrimos que este método de autocalentamiento consume muy poca energía.
Por qué agacharse: este método es esencialmente un control activo, que puede llevar rápidamente la batería a una temperatura de carga adecuada sin cambiar el material en sí ni la seguridad, ¿verdad?
Wang Chaoyang: Sí. Proponemos primero una innovación estructural. La estructura tradicional de la batería es un electrodo positivo, un electrodo negativo y un separador, lo que se denomina estructura de tres etapas. Agregamos un cuarto componente, la lámina de níquel, que puede almacenar energía y ajustar la temperatura por sí solo.
Por qué Duck: Hablando del concepto de baterías de estado sólido, creo que algunas empresas ya están promocionando este producto, pero algunas personas dicen que es una batería de estado semisólido. Explique las diferencias esenciales entre las baterías de estado sólido, las baterías ternarias y las baterías de fosfato de hierro y litio. ¿Es la diferencia entre líquido y sólido?
Wang Chaoyang: El verdadero significado de las baterías de estado sólido es utilizar electrolitos sólidos para reemplazar los electrolitos de nuestras baterías ternarias y de fosfato de hierro y litio tradicionales. Sin embargo, la investigación y el desarrollo de baterías de estado sólido deberían estar lejos de una verdadera comercialización.
Puede ver en los informes de los medios o en las noticias de la empresa que nuestro personal y las empresas de investigación y desarrollo básicamente no han descubierto qué tipo de productos de baterías de estado sólido fabricar.
¿Por qué dices eso? Puedo dar algunos ejemplos. El primer ejemplo, que puede escuchar a menudo en los medios, es que la conductividad iónica de las baterías de estado sólido es demasiado baja y la resistencia de la interfaz sólido-sólido es demasiado alta; al mismo tiempo, verá que las baterías de estado sólido pueden ser; Cargado rápidamente. Esto es contradictorio. ¿Cómo cargar rápidamente una batería con alta resistencia interna? Eso es imposible.
Algunas personas dicen que una batería semisólida significa que hay electrolito en el electrodo positivo, y más de la mitad del electrolito peligroso permanece en la batería. ¿Puede esto ser seguro?
Razón: algunas grandes empresas, incluida Toyota, han dicho que fabricarán baterías de estado sólido en el futuro porque son más seguras.
Wang Chaoyang: Todo el mundo debería fabricar baterías de estado sólido, que se consideran la próxima dirección de desarrollo. Cada empresa tiene sus propias consideraciones, no sólo las razones del desarrollo tecnológico, sino también el posicionamiento de la empresa y la dirección de la inversión. Pero, ¿son necesariamente seguras las baterías de estado sólido? A veces damos por sentado que es seguro, pero si realmente lo piensas, encontrarás que tiene muchos factores inseguros.
En primer lugar, si la batería de estado sólido de una empresa tiene 150 kWh, se trata de un gran paquete energético. Incluso si es sólido, no es seguro llevar consigo un paquete de energía tan grande. Una vez descargada, es decir, liberada toda la energía eléctrica, el aumento de temperatura de la batería debe ser superior a 1500 grados.
Es decir, si una determinada pieza sufre un cortocircuito y se libera energía eléctrica instantáneamente, la temperatura del material de la batería será superior a 1500 grados y ningún material será seguro. Incluso si el 10% de la electricidad se libera instantáneamente, la temperatura de la batería de estado sólido alcanza los 180 grados y el litio metálico se funde.
Por qué Duck: Volviendo a la batería de 40 kWh, ¿es más fácil controlar la seguridad con poca capacidad?
Chaoyang Wang: La batería de 40 kWh que inventamos es la batería más segura actualmente en el mercado. En primer lugar, después de todo, son sólo 40 kilovatios hora. En segundo lugar, su ánodo está fabricado de fosfato de hierro y litio, un material muy seguro y térmicamente estable. En tercer lugar, aunque también somos un electrodo negativo de grafito, debido a que trabajamos a 60 grados, podemos hacer que las partículas de grafito sean más grandes y la superficie específica más pequeña, lo que también mejora la seguridad y la estabilidad térmica. En cuarto lugar, utilizamos un electrolito de bajo voltaje porque el voltaje en el fosfato de hierro y litio es de solo 3,6/3,7 voltios y el ternario es de 4,2/4,3 voltios, por lo que el electrolito es más seguro.
Por qué agacharse: hay otro concepto que necesita explicación. Ahora bien, ¿cuál es la relación entre el grafeno y los ánodos de grafito? ¿Por qué el grafeno es un tema candente?
Chaoyang Chaoyang: En la mayoría de las aplicaciones, el grafeno es solo un agente conductor que aumenta la conductividad electrónica, por lo que la dosis es muy pequeña, como 1, 2 y 3, mientras que el grafito es un material de almacenamiento de energía. Por ejemplo, este grafito es lo que te llena, mientras que el grafeno es solo glutamato monosódico y condimento.
Por qué Duck: ¿Cómo crees que deberíamos elegir entre baterías ternarias de litio y baterías de fosfato de hierro y litio en el futuro?
Chaoyang Wang: La densidad de energía de las baterías ternarias es mayor, pero las desventajas son la poca seguridad y el alto costo. También se necesita cobalto. El cobalto es un metal estratégico, por lo que tiene desventajas obvias.
El material del núcleo de la batería tiene una alta densidad de energía y poca seguridad. Es necesario instalar más dispositivos de seguridad en el paquete de baterías para evitar que la batería ternaria sea insegura. Agregar otro dispositivo a la batería reducirá la densidad de energía de todo el sistema, por lo que la batería de 150 kWh definitivamente no elegirá el fosfato de hierro y litio más pesado, por lo que probablemente no habrá pasajeros en este automóvil. Una vez que la batería se hace más pequeña, el fosfato de hierro y litio es una muy buena opción porque tiene ventajas incomparables, es decir, es extremadamente seguro y el costo es extremadamente bajo.
Por lo que ambas baterías te serán útiles en diferentes situaciones. Últimamente he estado trabajando en baterías para coches voladores, que también son baterías para aviones eléctricos. En el futuro, todos podremos trabajar en coches voladores. Los coches voladores pueden utilizar redes de transporte tridimensionales para llegar a sus destinos sin atascos. Para los coches voladores, las baterías ternarias serán la primera opción, porque, al fin y al cabo, el avión tiene que volar y es especialmente sensible al peso.
No puedo utilizar la tecnología de miniaturización para fabricar baterías para coches voladores. No se cargará en cinco minutos y no se cargará en 10 minutos en el aire, por lo que creo que ambas tecnologías tienen sus usos en diferentes situaciones.
Por qué Duck: También tengo mucha curiosidad por los coches voladores, incluidas las empresas nacionales que están trabajando en proyectos en esta área. ¿No sería lo mismo si se utilizara un motor de combustible como potencia?
Wang Chaoyang: En la actualidad, nuestros coches voladores despegan y aterrizan verticalmente. Es un medio de transporte utilizado en áreas metropolitanas y es muy sensible a la contaminación y el ruido, por lo que el uso de combustible no es una dirección de desarrollo ahora.
En el futuro, los aviones serán inteligentes y sin conductor. Sin conductor, se puede ahorrar espacio en el asiento y peso humano. Por lo tanto, un ordenador relativamente grande debe estar equipado con muchas funciones de procesamiento de datos. Aquí es cuando se necesita una batería grande. Por eso, incluso si se utiliza un motor de gasolina, debe estar equipado con una batería grande. En este caso, el peso total superará al del modo eléctrico puro.
Existe un enorme obstáculo en la transformación de vehículos de combustible a vehículos inteligentes, porque algunos de los sensores utilizados requieren control electrónico. Incluyendo el frenado, el control de potencia será más rápido y preciso.
Por qué agacharse: Hablando de tendencias futuras, Toyota también está promocionando vehículos eléctricos con batería de hidrógeno. También hay proyectos piloto para baterías de energía de hidrógeno en China y Beijing. En su opinión, ¿cuál es la tendencia de las baterías de hidrógeno?
Chaoyang Wang: Llevo más de diez años estudiando las pilas de combustible de hidrógeno. Su mayor problema es que el costo es demasiado alto y otro problema es que su vida útil no es lo suficientemente larga. Se necesita un avance científico para reducir el costo en un orden de magnitud antes de que podamos hablar de comercialización. En la actualidad, todavía está a cierta distancia de los consumidores comunes.
En los últimos 20 años, ha habido al menos 20 empresas en el mundo, cada una de las cuales ha invertido casi 2 mil millones de dólares en pilas de combustible de hidrógeno. Mi laboratorio ha invertido alrededor de 300 millones de yuanes en investigación y desarrollo y ha escrito algunos artículos en esta área, pero no se atreve a tener ideas de comercialización.
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