中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：10 分鐘充電可讓電動(dòng)汽車(chē)充滿 80%，續(xù)航 300 公里到 400 公里，并且經(jīng)過(guò) 2500 次充放電后，電池容量只有 8.3% 的損耗。這個(gè)結(jié)果已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了美國(guó)能源部的目標(biāo)。
作為對(duì)比，特斯拉的 Model S 目前快充效率為 40 分鐘充電 80%。
這個(gè)神奇結(jié)果由賓夕法尼亞州立大學(xué)王朝陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)發(fā)布在 10 月 30 日的《焦耳》雜志（Joule）。在方法上，他們并沒(méi)有盯著改進(jìn)電池材料不放，而是"曲線救國(guó)"，采用了一種更為簡(jiǎn)捷、成本低廉的熱刺激技術(shù)，攻克了鋰電池快速充電和電池壽命難以兼得的關(guān)鍵問(wèn)題，也有望解決新能源汽車(chē)發(fā)展的"里程焦慮"和"充電時(shí)間焦慮"難題。
與絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室研究不同，這項(xiàng)成果最厲害的地方是其成熟程度非常高。王朝陽(yáng)告訴 DeepTech，熱刺激快充技術(shù)基本上不需要工業(yè)化前的改進(jìn)了，"是能直接用的"。
60 攝氏度，10 分鐘
圖 | 高溫下充電會(huì)加快，金色小球代表鋰離子。（來(lái)源：賓夕法尼亞州立大學(xué)）
電池中的離子從正極流向負(fù)極就會(huì)產(chǎn)生能量，這便是電池的充電過(guò)程，其充電速度受限于離子移動(dòng)的速度。如果提高溫度，離子移動(dòng)速度就會(huì)加快，充電速度相應(yīng)提升。這正是王朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)研究的出發(fā)點(diǎn)。
然而長(zhǎng)時(shí)間高溫充電會(huì)讓電解液分解，縮短電池壽命。這就需要摸索出一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟葏?shù)和時(shí)間參數(shù)。
經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，王朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如果電池能在充電前迅速加熱到 60 攝氏度，快充 10 分鐘，然后迅速降溫到環(huán)境溫度，那么就不會(huì)形成電池的熱衰減，還能避免嚴(yán)重的固體電解質(zhì)界面膜（SEI 膜）增長(zhǎng)，后者是電極材料與電解液在固液相界面上發(fā)生反應(yīng)形成的鈍化層。王朝陽(yáng)說(shuō)，這個(gè)技術(shù)關(guān)鍵是在特定高溫下快速充電。
具體而言，他們對(duì) 3 款動(dòng)力電池分別在 40 攝氏度、49 攝氏度和 60 攝氏度下進(jìn)行了恒溫充電測(cè)試，以 20 攝氏度下充電作為對(duì)照，之后將電池拆解來(lái)檢查其有無(wú)發(fā)生析鋰（鋰離子在負(fù)極表面的沉積）。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò) 2500 次 60 攝氏度 10 分鐘的極端快速充電（6 C，4.2 V），209 瓦時(shí)每千克（Wh / kg）的高能量密度電池電池仍可擁有 91.7％的容量，只有 8.3% 的容量損耗，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了美國(guó)能源部 （DOE） 的"500 次循環(huán)、容量損耗 20％"目標(biāo)，并且在充電過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)析鋰。
以前人們普遍擔(dān)心鋰離子電池在高溫下充電可能加速副反應(yīng)，王朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)的研究則表明，限定時(shí)間的高溫充電所帶來(lái)減少析鋰的收益，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于副反應(yīng)的負(fù)面損失。
高溫下充電能減少析鋰。電池的正極或負(fù)極具有類似海綿的物理結(jié)構(gòu)，可以釋放或接收鋰離子。由于充電時(shí)的極化作用，鋰離子會(huì)在負(fù)極表面沉積，發(fā)生析鋰。而析鋰在低溫下會(huì)更加嚴(yán)重，因?yàn)殇囯x子的移動(dòng)速度減緩會(huì)更容易沉積在負(fù)極表面。也就是說(shuō)，低溫充電時(shí)會(huì)更加減少充電效率和增加安全風(fēng)險(xiǎn)。高溫充電時(shí)鋰離子移動(dòng)速度足夠大，鋰離子會(huì)均勻地滲透進(jìn)去。
電池自加熱
圖 | "全氣候"電池。（來(lái)源：賓夕法尼亞州立大學(xué)）
圖 | 自加熱電池結(jié)構(gòu)圖，Cathode 為陰極，Anode 為陽(yáng)極，Elecetrolyte 為電解液，Metal foil 指的是鎳箔。（來(lái)源：王朝陽(yáng)）
為了讓電池能夠在快充前迅速加熱到指定溫度，王朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了"全氣候"電池。他們?cè)陔姵貎?nèi)部插入 50 微米厚度的鎳箔，可有效進(jìn)行自加熱。電流在低溫時(shí)開(kāi)啟，流過(guò)鎳箔，產(chǎn)生熱量。一旦電池內(nèi)部溫度超過(guò) 60 攝氏度時(shí)，就會(huì)觸動(dòng)溫度傳感器關(guān)閉鎳箔電流。
該電池可以在 30 秒內(nèi)自加熱到 60 攝氏度，同時(shí)不減弱電池在常溫下的性能和壽命。這一過(guò)程既不需要外部加熱設(shè)備的幫助，也不需要在電解質(zhì)里添加特別的添加劑。
王朝陽(yáng)說(shuō)，這個(gè)自加熱過(guò)程可以進(jìn)一步改進(jìn)，使其自加熱時(shí)間更少。
研究指出，這個(gè)研究可以在量產(chǎn)電池上推廣，鎳箔會(huì)增加 0.47% 的成本和 1.3% 的重量，但由于其削減了目前外接加熱器的需求，所以實(shí)際上減少了電池組的成本。
王朝陽(yáng)創(chuàng)建的 EC Power 公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)"全氣候"電池的商業(yè)化，并且這個(gè)成果即將用于 2022 年北京冬奧會(huì)。
2022 冬奧會(huì)將會(huì)大規(guī)模使用新能源汽車(chē)，但這些車(chē)輛將面臨零下 20℃至零下 30℃的低溫工作環(huán)境，那么電動(dòng)車(chē)輛將會(huì)面臨電池的充電速度變差，容量和壽命也會(huì)衰減。
王朝陽(yáng)與北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，將其發(fā)明的電池自加熱技術(shù)應(yīng)用于新能源汽車(chē)動(dòng)力電池。據(jù)報(bào)道，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，新技術(shù)對(duì)電池安全性能沒(méi)有影響，電池系統(tǒng)比能量達(dá)到 170 瓦時(shí)每千克，系統(tǒng)可靠性實(shí)驗(yàn)累計(jì)完成充切斷數(shù)超過(guò) 5000 次，能夠徹底解決電動(dòng)汽車(chē)在冬季續(xù)駛里程急劇下降、無(wú)法啟動(dòng)、衰減、安全隱患等諸多難題。
專訪王朝陽(yáng)：用簡(jiǎn)捷、低成本的技術(shù)做快充開(kāi)發(fā)
DeepTech：熱刺激快充是你們獨(dú)家的發(fā)現(xiàn)嗎？你們是如何想到這個(gè)更"簡(jiǎn)捷"方法的？
王朝陽(yáng)：熱刺激快充是我們的獨(dú)家發(fā)明。各種快充的實(shí)質(zhì)是一樣的，即增加鋰離子的傳遞速率，只是我們用了加熱的物理方法。
我研究了 25 年鋰電池，做過(guò)各種嘗試，包括改良材質(zhì)，改進(jìn)電解液，在電解液中添加各種添加劑，以及改良石墨顆粒，目的都是讓鋰離子傳輸?shù)每煲稽c(diǎn)。但是這些改進(jìn)有一個(gè)很大的局限，就是一旦增加了某個(gè)方面的收益，你就會(huì)犧牲另一方面的優(yōu)勢(shì)。
比如說(shuō)，如果把電解液改良了，其導(dǎo)電率提升，加快了充電速度，但同時(shí)這個(gè)電池就變得更加危險(xiǎn)，其發(fā)生內(nèi)短路起火或爆炸風(fēng)險(xiǎn)就相應(yīng)增加。再比如說(shuō)，如果把石墨顆粒變小會(huì)加快鋰離子移動(dòng)，但是這樣的材料也會(huì)增加電池風(fēng)險(xiǎn)。
而我們目前采用的熱刺激是一個(gè)主動(dòng)控制的辦法，不必改變材料本身，其安全性能沒(méi)有任何變化，10 分鐘速戰(zhàn)速?zèng)Q也避免了析鋰。
一般而言，我們希望尋找這樣的簡(jiǎn)單方法，方法越簡(jiǎn)單，技術(shù)就越成熟，成本也會(huì)降下來(lái)。
DeepTech：這項(xiàng)新發(fā)表的研究比你們此前的研究有哪些改進(jìn)？
王朝陽(yáng)：以前我們只是把電池溫度自加熱到常溫，這次我們是突破溫度的禁區(qū)，把溫度時(shí)間自加熱到了 60 攝氏度。
常溫下充電太慢了，所以我們把溫度提高到 60 攝氏度，可以讓離子移動(dòng)速率大大提高，來(lái)滿足 10 分鐘快充的需求。這里的難題是，我們?cè)趺幢苊怆姵夭牧显诟邷叵滤ダ稀?
通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)跟理論推算，我們發(fā)現(xiàn)電池材料在高溫下的衰老與時(shí)間有關(guān)，只要能夠限制電池材料暴露在高溫的時(shí)間，就能夠讓電池的損傷做到最小，那么 10 分鐘快充正好滿足這個(gè)條件。
按照 2500 次、每次快充續(xù)航至少 300 公里估算，一塊電池差不多有 75 萬(wàn)到 100 萬(wàn)公里的壽命。
DeepTech：快充完畢后的迅速冷卻是怎么實(shí)現(xiàn)的？
王朝陽(yáng)：其實(shí)靠自然冷卻就可以實(shí)現(xiàn)。假如環(huán)境溫度是 25 攝氏度的話，電池的 60 攝氏度降溫到 25 攝氏度就有 35 攝氏度的溫差，這與電池充電溫度 30 攝氏度降溫到 25 攝氏度相比，溫差是 7 倍。此外，與 60 攝氏度下電池內(nèi)阻相比，30 攝氏度下的內(nèi)阻高了 3 倍，那么總的來(lái)看，電池在 60 攝氏度下散熱速率比 30 攝氏度下散熱就會(huì)高出很多倍。
DeepTech：10 分鐘快充技術(shù)距離產(chǎn)業(yè)化有多遠(yuǎn)？
王朝陽(yáng)：基本上是能直接用的。有 2 個(gè)原因，一是我們的實(shí)驗(yàn)用了工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的電池；二是我們的技術(shù)通過(guò)了第三方、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。
目前我們已經(jīng)很輕松滿足美國(guó)能源部"500 次循環(huán)、容量損耗 20％"的要求，它的成熟程度是非常高的，基本上不需要工業(yè)化前的改進(jìn)了。
DeepTech：那么美國(guó)的充電樁準(zhǔn)備好了嗎？在中國(guó)的情況如何呢？
王朝陽(yáng)：我們的快充可以適應(yīng)特斯拉新建的 240 千瓦充電站，其實(shí)這個(gè)充電速率超出了他們 45 分鐘快充需求。另外，到今年年底，美國(guó)會(huì)新建 2000 個(gè)到 2500 個(gè)快充樁，充電功率為 300 千瓦到 350 千瓦，其資金來(lái)自大眾的"柴油門(mén)"罰款。
在中國(guó)，特斯拉也在準(zhǔn)備建 240 千瓦的快充站。
中國(guó)幾家最主要的電池制造商都在關(guān)注我們的技術(shù)，因?yàn)檫@個(gè)技術(shù)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，且比較成熟，我估計(jì)不久就會(huì)出現(xiàn)在中國(guó)市場(chǎng)。
DeepTech：你們的"全氣候"電池在助力 2022 冬奧會(huì)的進(jìn)展如何？
王朝陽(yáng)：我們已經(jīng)做過(guò) 2 年的冬季車(chē)隊(duì)實(shí)驗(yàn)。2018 年 3 月份在內(nèi)蒙古做了第一輪冬季測(cè)試，這些實(shí)驗(yàn)一定要等到冬季最冷的時(shí)候去做，所以那時(shí)候要應(yīng)對(duì)零下 40 度的低溫。第二輪是今年 1 月份在內(nèi)蒙古海拉爾，都非常成功。
在國(guó)外，我們的全氣候電池技術(shù)已經(jīng)授權(quán)給了寶馬等車(chē)企。
DeepTech：你們的技術(shù)會(huì)用到智能手機(jī)上嗎？
王朝陽(yáng)：手機(jī)上原則上也能用。但這里需要技術(shù)上更加成熟，以及更多的安全測(cè)試，畢竟人們對(duì)智能手機(jī)的電池安全性更為看重。
DeepTech：聽(tīng)說(shuō)你們的下一個(gè)目標(biāo)是 5 分鐘快充？
王朝陽(yáng)：5 分鐘快充是我們的終極目標(biāo)。為什么是 5 分鐘呢？因?yàn)槿绻?5 分鐘能充好電的話，就會(huì)讓車(chē)主有接近加油站加油的體驗(yàn)。當(dāng)然 5 分鐘充電有很多挑戰(zhàn)，這就像讓汽車(chē)的百米加速，從 4 秒到 3.8 秒的 0.2 秒提升都是一個(gè)巨大的進(jìn)步。
王朝陽(yáng)簡(jiǎn)介
（來(lái)源：賓夕法尼亞州立大學(xué)）
王朝陽(yáng)（Chao-Yang Wang），賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械工程系主任，機(jī)械工程、化學(xué)工程和材料科學(xué)與工程系杰出教授。他是賓夕法尼亞州電化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)中心（ECEC）和電池與儲(chǔ)能技術(shù)（BEST）中心的創(chuàng)始董事。研究工作包括電池和燃料電池中的運(yùn)輸、材料制造和建模等方面。王朝陽(yáng)擁有 50 多項(xiàng)專利（美國(guó)，中國(guó)，歐盟和日本）。他最近關(guān)于全氣候電池（ACB）技術(shù)的研究發(fā)表在 Nature 雜志上，后來(lái)被 2022 年冬季奧運(yùn)會(huì)選中，為奧運(yùn)會(huì)的電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力。
參考：
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30481-7
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-10/cp-lib102419.php
