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充電11分鐘續(xù)航400公里!Nature刊發(fā)華人教授鋰電新研究:只用加一層薄鎳箔 2022-10-24 09:42:21  來(lái)源:36氪

電動(dòng)汽車電池快充技術(shù)有了重要突破!

新能源汽車快充時(shí)代開拓者之一、賓夕法尼亞大學(xué)教授王朝陽(yáng)及其團(tuán)隊(duì)研究出一種新方法,讓電池充電速度“突飛猛進(jìn)”

給普通的電動(dòng)車電池加薄薄一層鎳片后,僅需10分鐘左右,就能充電70%。


(資料圖片僅供參考)

而且這種電池循環(huán)壽命高達(dá)2000次以上:

據(jù)研究團(tuán)隊(duì)估算,這相當(dāng)于在每塊電池的壽命之內(nèi),共計(jì)最多可以跑50萬(wàn)英里(約80萬(wàn)公里)。

(汽車一般跑60萬(wàn)公里就報(bào)廢了)

要知道,雖然電動(dòng)車勢(shì)頭正猛,但到目前為止,其充電效率仍讓眾多車主覺得“和理想相距甚遠(yuǎn)”:

市面上,現(xiàn)有的最先進(jìn)的機(jī)汽車快充也需要45至60分鐘的時(shí)間。

所以王朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)的這個(gè)新成果,無(wú)疑讓電動(dòng)汽車向著真正的“理想快充”前進(jìn)了一大步!

前幾天,相關(guān)成果論文已登上了Nature。

IEEE綜覽(IEEE Spectrum)表示,用此技術(shù)配合快充樁,將是把動(dòng)力電池小型化,并解決電池供應(yīng)、原材料匱乏乏和新能源汽車成本問(wèn)題的最有效手段之一。

那么這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)是如何讓電池充電速度飛升的?

11分鐘,充電70%

在本研究展開前,王朝陽(yáng)院士根據(jù)先前的成果指出:

電池在一個(gè)較高的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行得最好,但也不能太熱。

所以研究者要做的一件事情就是:把電池的溫度控制在準(zhǔn)確范圍內(nèi)。不過(guò)這也是個(gè)難點(diǎn)。

王朝陽(yáng)說(shuō),在早期,他們團(tuán)隊(duì)一直通過(guò)笨重的外部加熱、冷卻系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)電池溫度,這些系統(tǒng)反應(yīng)緩慢,浪費(fèi)了大量的能源。

而這次,他們主要從電池的內(nèi)部入手,通過(guò)電池的內(nèi)部材料來(lái)調(diào)節(jié)其溫度。

他們選擇了一種富鎳層狀氧化物(LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2,簡(jiǎn)稱NMC811)來(lái)作電池的陽(yáng)極。

這種材料具有高比容量和放電電壓,以及成本相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn),所以成了開發(fā)新一代高能全固態(tài)鋰電池“潛力股”。

但是,NMC811與固態(tài)電解質(zhì)之間,存在嚴(yán)重的表面電化學(xué)、化學(xué)和電壓不相容等問(wèn)題。

為了改善這些問(wèn)題,并提高充電速度,研究人員主要從3個(gè)角度做出調(diào)整:

他們采用了一種叫ATM的方法,并且把陽(yáng)極的孔隙率調(diào)節(jié)到更大,還把電解質(zhì)升級(jí)成了雙鹽電解質(zhì)。

下面細(xì)說(shuō)一下ATM。

這里的ATM可不是取款機(jī),而是不對(duì)稱溫度調(diào)節(jié)法(Asymmetric temperature modulation)。

通過(guò)這種方法,一方面可以快速預(yù)熱電池,然后使其在高溫下快速充電,并利用熱增強(qiáng)的電化學(xué)和傳輸過(guò)程來(lái)消除鋰鍍層。

鋰鍍層容易在快速充電過(guò)程中生成,具有許多負(fù)作用,比如造成電池容量迅速損失,甚至還有安全風(fēng)險(xiǎn)。

所以消滅它,就減少了許多負(fù)面影響。

另一方面,ATM法還有益于電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定,或者說(shuō),有益于延長(zhǎng)電池壽命。

具體而言就是,在鋰離子電池工作過(guò)程中,陽(yáng)極表面會(huì)形成一層薄薄的電解質(zhì)還原產(chǎn)物SEI(固體電解質(zhì)中間相),可防止電解質(zhì)進(jìn)一步分解,穩(wěn)定電極和電解質(zhì)之間的界限。

所以,SEI是電池穩(wěn)定性和壽命的重要指標(biāo)。

但受到電池使用過(guò)程中高溫因素等的影響,SEI層會(huì)慢慢降解,導(dǎo)致電池容量損失。

而通過(guò)ATM法,電池只在預(yù)熱和快速充電期間處于60℃左右的高溫,其他時(shí)間溫度迅速下降,從而減緩SEI的降解速度,延長(zhǎng)電池壽命。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,如果鋰電池以每秒4庫(kù)倫的速度,每次都充到最大容量的75%,鋰電池可以正常重復(fù)使用900多次(可以跑約40萬(wàn)公里)。

而如果按同樣的速度充電,每次花11分鐘左右充到70%,則可正常重復(fù)使用2000多次(可以跑約80萬(wàn)公里)。

在充到70%的情況下,汽車的續(xù)航里程可達(dá)400公里。

研究者在論文中寫道,這個(gè)“充電11分鐘,單次續(xù)航400公里,可重復(fù)2000多次”的結(jié)果,打破之前的所有紀(jì)錄。

王朝陽(yáng):開啟新能源汽車快充時(shí)代

再來(lái)說(shuō)說(shuō)這篇論文的一作,王朝陽(yáng)院士。

1984年至1987年間,王朝陽(yáng)先后獲浙大熱物理工程的本科和研究者學(xué)位,并在碩士期間師從我國(guó)著名傳熱學(xué)專家屠傳經(jīng)教授。

他現(xiàn)為美國(guó)國(guó)家發(fā)明家科學(xué)院院士,并任賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系講席教授,研究領(lǐng)域包括燃料電池和二次電池等。

截至目前,王朝陽(yáng)已經(jīng)發(fā)表150余篇文章,擁有16項(xiàng)美國(guó)專利,并撰寫過(guò)多部書籍和綜述,在SCI被引用超4500次。

在世界燃料與能源領(lǐng)域,他是近十年來(lái)被引用次數(shù)最多的前20位作者之一。

另外,其實(shí)從2016年起,王和他的團(tuán)隊(duì)就已在鋰離子電池內(nèi)部添加了鎳箔,以加熱它們并幫助它們?cè)诒涞沫h(huán)境中表現(xiàn)得更好。

而前文提到的ATM法,是他們?cè)?019年提出的。

隨后,他們實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)的動(dòng)力電池極速充電最好實(shí)驗(yàn)結(jié)果——210Wh/kg。

Wh/kg是電池質(zhì)量能量密度單位,代表每千克電池器件可提供的能量。

從理論上講,電池的質(zhì)能密度越大,意味著其性能越好。

在新研究中,他們同樣用鎳箔來(lái)加熱電動(dòng)車電池并提高其性能,并再次取得進(jìn)步:

現(xiàn)在的最新成果顯示,這種極速充電電池的質(zhì)能密度已經(jīng)達(dá)到265Wh/kg。

目前,研究團(tuán)隊(duì)正在和EC Power公司商討合作,預(yù)計(jì)在兩年之內(nèi)把這種電池產(chǎn)業(yè)化。

論文地址:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05281-0

參考鏈接:

https://spectrum.ieee.org/ev-battery-fast-charging

關(guān)鍵詞: 快速充電 電動(dòng)車電池 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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