充电10分钟,续航400公里!华人学者发明锂电快充技术,可产业化

10 分钟充电可让电动汽车充满 80%,续航 300 公里到 400 公里,并且经过 2500 次充放电后,电池容量只有 8.3% 的损耗。这个结果已经远远超出了美国能源部的目标。

作为对比,特斯拉的 Model S 目前快充效率为 40 分钟充电 80%。

这个神奇结果由宾夕法尼亚州立大学王朝阳教授团队发布在 10 月 30 日的《焦耳》杂志(Joule)。在方法上,他们并没有盯着改进电池材料不放,而是"曲线救国",采用了一种更为简捷、成本低廉的热刺激技术,攻克了锂电池快速充电和电池寿命难以兼得的关键问题,也有望解决新能源汽车发展的"里程焦虑"和"充电时间焦虑"难题。

与绝大多数实验室研究不同,这项成果最厉害的地方是其成熟程度非常高。王朝阳告诉 DeepTech,热刺激快充技术基本上不需要工业化前的改进了,"是能直接用的"。

60 摄氏度,10 分钟

充电10分钟,续航400公里!华人学者发明锂电快充技术,可产业化

图 | 高温下充电会加快,金色小球代表锂离子。(来源:宾夕法尼亚州立大学)

电池中的离子从正极流向负极就会产生能量,这便是电池的充电过程,其充电速度受限于离子移动的速度。如果提高温度,离子移动速度就会加快,充电速度相应提升。这正是王朝阳团队研究的出发点。

然而长时间高温充电会让电解液分解,缩短电池寿命。这就需要摸索出一个适当的温度参数和时间参数。

经过反复测试,王朝阳团队发现,如果电池能在充电前迅速加热到 60 摄氏度,快充 10 分钟,然后迅速降温到环境温度,那么就不会形成电池的热衰减,还能避免严重的固体电解质界面膜(SEI 膜)增长,后者是电极材料与电解液在固液相界面上发生反应形成的钝化层。王朝阳说,这个技术关键是在特定高温下快速充电。

具体而言,他们对 3 款动力电池分别在 40 摄氏度、49 摄氏度和 60 摄氏度下进行了恒温充电测试,以 20 摄氏度下充电作为对照,之后将电池拆解来检查其有无发生析锂(锂离子在负极表面的沉积)。

结果发现,经过 2500 次 60 摄氏度 10 分钟的极端快速充电(6 C,4.2 V),209 瓦时每千克(Wh / kg)的高能量密度电池电池仍可拥有 91.7%的容量,只有 8.3% 的容量损耗,这远远超过了美国能源部 (DOE) 的"500 次循环、容量损耗 20%"目标,并且在充电过程中未发现析锂。

以前人们普遍担心锂离子电池在高温下充电可能加速副反应,王朝阳团队的研究则表明,限定时间的高温充电所带来减少析锂的收益,远远大于副反应的负面损失。

高温下充电能减少析锂。电池的正极或负极具有类似海绵的物理结构,可以释放或接收锂离子。由于充电时的极化作用,锂离子会在负极表面沉积,发生析锂。而析锂在低温下会更加严重,因为锂离子的移动速度减缓会更容易沉积在负极表面。也就是说,低温充电时会更加减少充电效率和增加安全风险。高温充电时锂离子移动速度足够大,锂离子会均匀地渗透进去。

电池自加热

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图 | "全气候"电池。(来源:宾夕法尼亚州立大学)


充电10分钟,续航400公里!华人学者发明锂电快充技术,可产业化

图 | 自加热电池结构图,Cathode 为阴极,Anode 为阳极,Elecetrolyte 为电解液,Metal foil 指的是镍箔。(来源:王朝阳)

为了让电池能够在快充前迅速加热到指定温度,王朝阳团队开发了"全气候"电池。他们在电池内部插入 50 微米厚度的镍箔,可有效进行自加热。电流在低温时开启,流过镍箔,产生热量。一旦电池内部温度超过 60 摄氏度时,就会触动温度传感器关闭镍箔电流。

该电池可以在 30 秒内自加热到 60 摄氏度,同时不减弱电池在常温下的性能和寿命。这一过程既不需要外部加热设备的帮助,也不需要在电解质里添加特别的添加剂。

王朝阳说,这个自加热过程可以进一步改进,使其自加热时间更少。

研究指出,这个研究可以在量产电池上推广,镍箔会增加 0.47% 的成本和 1.3% 的重量,但由于其削减了目前外接加热器的需求,所以实际上减少了电池组的成本。

王朝阳创建的 EC Power 公司已经实现"全气候"电池的商业化,并且这个成果即将用于 2022 年北京冬奥会。

2022 冬奥会将会大规模使用新能源汽车,但这些车辆将面临零下 20℃至零下 30℃的低温工作环境,那么电动车辆将会面临电池的充电速度变差,容量和寿命也会衰减。

王朝阳与北京理工大学团队合作,将其发明的电池自加热技术应用于新能源汽车动力电池。据报道,经过试验验证,新技术对电池安全性能没有影响,电池系统比能量达到 170 瓦时每千克,系统可靠性实验累计完成充切断数超过 5000 次,能够彻底解决电动汽车在冬季续驶里程急剧下降、无法启动、衰减、安全隐患等诸多难题。

专访王朝阳:用简捷、低成本的技术做快充开发

DeepTech:热刺激快充是你们独家的发现吗?你们是如何想到这个更"简捷"方法的?

王朝阳:热刺激快充是我们的独家发明。各种快充的实质是一样的,即增加锂离子的传递速率,只是我们用了加热的物理方法。

我研究了 25 年锂电池,做过各种尝试,包括改良材质,改进电解液,在电解液中添加各种添加剂,以及改良石墨颗粒,目的都是让锂离子传输得快一点。但是这些改进有一个很大的局限,就是一旦增加了某个方面的收益,你就会牺牲另一方面的优势。

比如说,如果把电解液改良了,其导电率提升,加快了充电速度,但同时这个电池就变得更加危险,其发生内短路起火或爆炸风险就相应增加。再比如说,如果把石墨颗粒变小会加快锂离子移动,但是这样的材料也会增加电池风险。

而我们目前采用的热刺激是一个主动控制的办法,不必改变材料本身,其安全性能没有任何变化,10 分钟速战速决也避免了析锂。

一般而言,我们希望寻找这样的简单方法,方法越简单,技术就越成熟,成本也会降下来。

DeepTech:这项新发表的研究比你们此前的研究有哪些改进?

王朝阳:以前我们只是把电池温度自加热到常温,这次我们是突破温度的禁区,把温度时间自加热到了 60 摄氏度。

常温下充电太慢了,所以我们把温度提高到 60 摄氏度,可以让离子移动速率大大提高,来满足 10 分钟快充的需求。这里的难题是,我们怎么避免电池材料在高温下衰老。

通过大量的实验跟理论推算,我们发现电池材料在高温下的衰老与时间有关,只要能够限制电池材料暴露在高温的时间,就能够让电池的损伤做到最小,那么 10 分钟快充正好满足这个条件。

按照 2500 次、每次快充续航至少 300 公里估算,一块电池差不多有 75 万到 100 万公里的寿命。

DeepTech:快充完毕后的迅速冷却是怎么实现的?

王朝阳:其实靠自然冷却就可以实现。假如环境温度是 25 摄氏度的话,电池的 60 摄氏度降温到 25 摄氏度就有 35 摄氏度的温差,这与电池充电温度 30 摄氏度降温到 25 摄氏度相比,温差是 7 倍。此外,与 60 摄氏度下电池内阻相比,30 摄氏度下的内阻高了 3 倍,那么总的来看,电池在 60 摄氏度下散热速率比 30 摄氏度下散热就会高出很多倍。

DeepTech:10 分钟快充技术距离产业化有多远?

王朝阳:基本上是能直接用的。有 2 个原因,一是我们的实验用了工业界标准的电池;二是我们的技术通过了第三方、美国阿贡国家实验室测试。

目前我们已经很轻松满足美国能源部"500 次循环、容量损耗 20%"的要求,它的成熟程度是非常高的,基本上不需要工业化前的改进了。

DeepTech:那么美国的充电桩准备好了吗?在中国的情况如何呢?

王朝阳:我们的快充可以适应特斯拉新建的 240 千瓦充电站,其实这个充电速率超出了他们 45 分钟快充需求。另外,到今年年底,美国会新建 2000 个到 2500 个快充桩,充电功率为 300 千瓦到 350 千瓦,其资金来自大众的"柴油门"罚款。

在中国,特斯拉也在准备建 240 千瓦的快充站。

中国几家最主要的电池制造商都在关注我们的技术,因为这个技术相对比较简单,且比较成熟,我估计不久就会出现在中国市场。

DeepTech:你们的"全气候"电池在助力 2022 冬奥会的进展如何?

王朝阳:我们已经做过 2 年的冬季车队实验。2018 年 3 月份在内蒙古做了第一轮冬季测试,这些实验一定要等到冬季最冷的时候去做,所以那时候要应对零下 40 度的低温。第二轮是今年 1 月份在内蒙古海拉尔,都非常成功。

在国外,我们的全气候电池技术已经授权给了宝马等车企。

DeepTech:你们的技术会用到智能手机上吗?

王朝阳:手机上原则上也能用。但这里需要技术上更加成熟,以及更多的安全测试,毕竟人们对智能手机的电池安全性更为看重。

DeepTech:听说你们的下一个目标是 5 分钟快充?

王朝阳:5 分钟快充是我们的终极目标。为什么是 5 分钟呢?因为如果 5 分钟能充好电的话,就会让车主有接近加油站加油的体验。当然 5 分钟充电有很多挑战,这就像让汽车的百米加速,从 4 秒到 3.8 秒的 0.2 秒提升都是一个巨大的进步。

王朝阳简介

充电10分钟,续航400公里!华人学者发明锂电快充技术,可产业化

(来源:宾夕法尼亚州立大学)

王朝阳(Chao-Yang Wang),宾夕法尼亚州立大学机械工程系主任,机械工程、化学工程和材料科学与工程系杰出教授。他是宾夕法尼亚州电化学发动机中心(ECEC)和电池与储能技术(BEST)中心的创始董事。研究工作包括电池和燃料电池中的运输、材料制造和建模等方面。王朝阳拥有 50 多项专利(美国,中国,欧盟和日本)。他最近关于全气候电池(ACB)技术的研究发表在 Nature 杂志上,后来被 2022 年冬季奥运会选中,为奥运会的电动汽车提供动力。

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