當(dāng)幾乎所有的電動(dòng)車都能10分鐘充滿75%,還會(huì)存在里程焦慮嗎?
眼下就有一種新型的充電技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)10分鐘超級快充。
(相關(guān)資料圖)
最近,來自美國賓夕法尼亞州立大學(xué)王朝陽(Chao Yang Wang)教授聯(lián)合多位研究人員,在鋰離子電池快充技術(shù)上獲得一項(xiàng)重大突破。
據(jù)他們描述,這種快速充電技術(shù)適用于大多數(shù)能量密集的電池,使電動(dòng)汽車電池充電時(shí)間縮短到10分鐘。即便將電動(dòng)汽車電池從150千瓦時(shí)縮小到50千瓦時(shí),司機(jī)也不會(huì)有里程焦慮。
來源:Nature
這項(xiàng)技術(shù)突破以“Fast charging of energy-dense lithium-ion batteries”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature》上。
這種突破性的技術(shù),更是得到了美國能源部、美國國防部、美國空軍和威廉·迪芬德弗基金會(huì)的青睞。
01、在鋰電池中加鎳箔
目前提升電池快充能力的主流手段是電池材料改性,如提升電解液電導(dǎo)率、增加石墨材料比表面積等,這些都是在犧牲電池在正常工作條件下的壽命和安全性為代價(jià),但這些手段大多都效果不佳。
而這項(xiàng)最新技術(shù)的核心,主要在于對電池內(nèi)部的熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)。
電池在運(yùn)行時(shí)需要熱起來但卻不能太熱,一直以來,電池的溫度基本都是依賴外部附加的龐大的加熱和冷卻系統(tǒng)來控制,這種系統(tǒng)反應(yīng)非常緩慢,還會(huì)浪費(fèi)大量能源。
為此研究人員開發(fā)了一種新的電池結(jié)構(gòu),除了陽極、電解質(zhì)和陰極外,還添加了超薄的鎳箔作為第四種成分。
作為一種刺激物質(zhì),而鎳箔可以自我調(diào)節(jié)電池的溫度和反應(yīng)性,這使得任何電動(dòng)汽車電池都可以快速充電10分鐘。
其實(shí)早在6年前,王朝陽及其同事就開始在鋰離子電池中添加鎳箔來加熱,幫助電池在嚴(yán)寒環(huán)境中有更好的續(xù)航。
不過有個(gè)問題是,當(dāng)前所有車用鋰電池在高功率充電下都無法避免析鋰現(xiàn)象的發(fā)生,這也極大縮短了電池壽命并可能造成安全隱患。
王朝陽及其團(tuán)隊(duì)為了應(yīng)對這個(gè)問題,采用兩種鹽性(0.6 M LiFSI +0.6 M LiPF6)的電解液替換了傳統(tǒng)的電解液體系(1M LiPF6)。
相比于單一的LiPF6溶液,LiFSI溶液有更高的鋰離子遷移數(shù)(0.56 vs. 0.38),在同樣的倍率下,LiFSI還可以降低電解液濃差極化,提高電極厚度方向嵌鋰反應(yīng)的均勻性,這樣不僅提高了電解液的熱穩(wěn)定性,又極大降低了析鋰風(fēng)險(xiǎn)。
來源:Nature
結(jié)合此前王朝陽團(tuán)隊(duì)先前研發(fā)的速熱以及非對稱溫度熱調(diào)控(Asymmetric Temperature Modulation, ATM)的方法(即充電前加熱至高溫(~60oC)快速充電,室溫放電)。
可以實(shí)現(xiàn)了高能量密度鋰離子電池(265 Wh/kg)的快速充電(10分鐘充電~75% ),并能夠穩(wěn)定循環(huán)高達(dá)2000次以上,也創(chuàng)造了動(dòng)力電池極速充電的世界記錄。
而且這些創(chuàng)新首次揭示了高比能動(dòng)力電池極速充電只需要空氣冷卻,大大提高了電池系統(tǒng)的集成度、可靠性和安全性。
研究人員表示,這項(xiàng)工作與目前聲稱充電 10 分鐘后可以行駛100或150英里的電車完全不同。
通常情況下,這些電車的續(xù)航可以達(dá)到500英里,甚至更多,所以充電10分鐘行駛100英里,只能算是沖到25%,這種全新的技術(shù),直接將目前的充電水平提高三倍。
02、王朝陽是誰?
王朝陽,華人科學(xué)家,公開資料顯示,1984年獲浙大熱物理工程學(xué)系(現(xiàn)能源系)內(nèi)燃動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位,1987年獲浙大熱物理工程學(xué)系(現(xiàn)能源系)工程熱物理專業(yè)碩士學(xué)位。
如今,王朝陽是美國國家發(fā)明家科學(xué)院院士,賓夕法尼亞州立大學(xué)William E. Diefenderfer 講席教授,并且還兼任電池與儲(chǔ)能技術(shù)研究院院長,美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(ASME)會(huì)士,電化學(xué)學(xué)會(huì)(ECS)電池分會(huì)執(zhí)行委員等一大堆名譽(yù)頭銜。
來源:2020中國電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇
值得一提的是,他還曾經(jīng)擔(dān)任北京冬奧會(huì)的新能源汽車專家顧問。
種種頭銜的背后,其著作和技術(shù)專利自然少不了。
王朝陽在Nature、Joule、 PNAS,、Science Advances以及 Nature Energy 等期刊上發(fā)表了220多篇學(xué)術(shù)論文,總計(jì)被引量超過34000多次,H-index指數(shù)為102。是湯森路透評選的工程學(xué)高被引科學(xué)家之一。同時(shí),他還擁有80多項(xiàng)專利。
他所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)似乎就是一直在專攻電池的熱管理系統(tǒng)和電池快充技術(shù),他們在2019年就提出一種名為速熱快充法的快充技術(shù),可在10分鐘內(nèi),為電動(dòng)汽車補(bǔ)充超過320公里的續(xù)航電量。
來源:Penns State University
而且在2021年初其帶領(lǐng)的研究小組還研究出了一種續(xù)航里程為250英里、能夠在10分鐘內(nèi)快速充電的磷酸鐵鋰電池。這種電池不包含任何諸如鈷這類昂貴的重要材料,正極由非常大的石墨顆粒制成。
來源:Nature
也是使用了早先在其實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)的自加熱方法——自熱電池使用薄鎳箔,一端連接到負(fù)極,另一端延伸到電池外部以形成第三極,通過加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量能量。
這和現(xiàn)在的十分鐘快充技術(shù)有些異曲同工,都是通過溫度控制來發(fā)揮電池的最大性能。
現(xiàn)在看來,這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)更像是在原先速充技術(shù)的基礎(chǔ)上做出的突破。
來源:PennState Collage of Engineering
不過10分鐘充電75%的技術(shù),除了技術(shù)主導(dǎo)人王朝陽之外,其參與研發(fā)的人還有賓夕法尼亞州立大學(xué)的 Teng Liu, Xiao-Guang Yang, Shanhai Ge 和 Yongjun Leng,以及EC Power公司的一些研發(fā)人員。
03、商業(yè)化前景如何?
在燃油車向電動(dòng)車轉(zhuǎn)型過程中,電池方面有兩大問題需要解決。
一是現(xiàn)在電車充電過于緩慢,有些電動(dòng)汽車需要一整天的時(shí)間來充電,而不是在加油站花幾分鐘。
二是為了在當(dāng)前鋰價(jià)飛速上漲的背景下,追求能量密度,通過裝配大容量電池,并不是降低里程焦慮的有效方法。而且電池的體積越大,自燃風(fēng)險(xiǎn)也就越高。
正如論文的標(biāo)題所寫的那樣”Battery tech breakthrough paves way for mass adoption of affordable electric car“,其大意是電機(jī)技術(shù)的上的突破,是為人們開上價(jià)格合理的電車鋪平道路。
王朝陽曾說,這次研究的合作伙伴EC Power,正在致力于制造和商業(yè)化這種快速充電電池,以實(shí)現(xiàn)未來汽車電動(dòng)化的負(fù)擔(dān)得起和可持續(xù)發(fā)展。
來源:EV GO
EC Power 公司是該大學(xué)衍生的動(dòng)力電池初創(chuàng)企業(yè),據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)稱,EC Power公司目前正試圖生產(chǎn)和銷售這種新電池,1-2年內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。
那么這項(xiàng)技術(shù)對于汽車行業(yè)來說有多大的影響呢?
我們可以做個(gè)簡單的對比,無論是特斯拉還是小鵬,都在發(fā)力超快充技術(shù)。
目前特斯拉V4超充站的充電功率將達(dá)到350kW,充電15分鐘可以行駛300公里,30-40分鐘可以充90%,這個(gè)水平在新能源車陣營中已經(jīng)非常優(yōu)秀了。
而小鵬汽車推出S4超快充首樁,最大輸出功率達(dá)480kW,單樁最大輸出電流達(dá)670A,這套系統(tǒng)在5分鐘可以為汽車補(bǔ)能200公里。
按照官方的說法,4C車型充電10%-80%僅需不到15分鐘,這也被稱作是全球充電最快的量產(chǎn)電動(dòng)車。而3C車型同樣搭載了800V高壓平臺(tái),峰值充電功率300kW左右,可以充電5分鐘,續(xù)航增加130公里,充電10%-80%為20分鐘。
顯然,對比特斯拉和小鵬汽車,王朝陽教授發(fā)明的快充技術(shù),性能更加優(yōu)秀,而且在投入產(chǎn)出比方面,也會(huì)更高。
來源:Business Jouranl
其它車企,比如廣汽埃安、比亞迪等企業(yè)都在研發(fā)快充技術(shù),不過在充電速度方面,都很難和10分鐘充滿75%比肩。
而且這種技術(shù),僅通過快速充電,就可以讓電池循環(huán)行駛50萬英里。研發(fā)團(tuán)隊(duì)表示,新的電池技術(shù)為更便宜、更小、能量密集的電池組打開了一扇門,“這種電池組將大幅降低電池成本,并減少鈷、石墨和鋰等關(guān)鍵原材料的使用,使價(jià)格實(shí)惠的電動(dòng)汽車得以大規(guī)模普及。”
關(guān)鍵詞: 快速充電 電動(dòng)汽車 賓夕法尼亞州立大學(xué)
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