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低成本、快充和电池寿命如何兼得?
王朝阳院士表示,秘诀就在于团队前期研发的热刺激技术,也称自加热技术(self-heating technology)。
在介绍该技术之前,先来看看锂电池快充技术的原理。简单来说,快充的实质就是增加锂离子的传递速率。普遍的做法是提高温度,从而加快锂离子移动速度,那么相应的充电速度就会提升。但是提高温度带来了新的问题,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。
图一:锂电快充原理示意图。高温下充电速度会加快,其中金色小球代表锂离子。(图源:宾夕法尼亚州立大学)
在前期的研究中,王院士团队发现,如果电池能在充电前迅速加热到60℃,快充10分钟,然后迅速降温到环境温度,那么不仅不会形成电池的热衰减,还能避免严重的SEI膜增长。
而王朝阳院士团队研发的自加热技术的关键就在于:在特定温度下快速充电。为了让电池能够在快充前迅速加热到指定温度,王朝阳团队在电池内部插入 50 微米厚度的镍箔,一端连接到负极,另一端延伸到电池外部以形成第三端。电流一旦流动,就会通过电阻加热镍箔,产生热量。一旦电池内部温度超过 60 ℃时,就会触动温度传感器并关闭镍箔电流,此时电池与准备好快速充电。而不工作时,电池的温度会快速冷却到环境温度。
图2:自加热电池结构图
热调控磷酸铁锂电池的性能卖点
基于上述技术,王朝阳院士团队提出了热调控磷酸铁锂电池(TM-LFP battery)的概念,其核心在于:在电动汽车充电之前将电池快速加热至60℃左右进行快充,停止充电后电池会迅速冷却至环境温度。
性能卖点一:10分钟快速充电,可续航约250公里,而且不会出现所谓的析锂现象。
如图3所示,磷酸铁锂电池在室温下最快可实现20分钟 (3C)充电,而在低温(0℃)下,只能实现80分钟(0.7C)充电。相反,如果在充电之前先将电池加热至60℃,磷酸铁锂电池在6C的倍率下充电也没有观察到析锂现象,而且充电时间可降至10分钟以内。这也意味着,只要加热速度足够快,热调控电池在任何环境温度下都可以实现10分钟快速充电。
图3:磷酸铁锂电池在不同环境温度下最大充电速率。
性能卖点二:全气候电池,实现250公里的高续航能力,百公里加速时间仅需3秒以内。
基于团队前期的自加热电池结构,热调控电池每升温10℃大概消耗1.35%SOC,这意味着从-20℃加热至60℃需要消耗10.8% SOC。也就是说,即使在-20℃环境中热调控磷酸铁锂电池加热后只剩余89.2% SOC,仍然可以提供大于250公里的续航里程(图4a)。此外,该电池在-20℃, 10%SOC下的功率密度仍然达到~1500W/kg(图4b)。更重要的是,所组装的40kWh的电池包能够实现大于300kW的峰值功率,这意味着百公里加速时间可维持在3秒以内,超越了特斯拉!
图4:热调控电池能够实现全气候、高续航里程、高功率以及10分钟快充。
性能卖点三:采用低活性,低比表面积的石墨作为负极材料,电池的寿命有望超过200万公里。
最后,团队对比了传统三元电池、磷酸铁锂刀片电池、热调控磷酸铁锂电池的各项性能指标。如图5所示,热调控电池可同时满足电动汽车的多项需求,集低成本、高安全、高功率、快速充电、全气候、长寿命于一身,有望应用于未来面向大众市场的电动汽车中。
图5:热调控磷酸铁锂电池、传统三元电池、磷酸铁锂刀片电池的性能指标雷达图。
10分钟快充技术离产业化有多远?
团队表示,该技术基本上是能直接产业化的,原因在于:一,实验采用了工业界标准的电池;二,技术通过了第三方、美国阿贡国家实验室测试。
此外,据了解王朝阳院士另一项重大技术突破“全气候”电池,已经实现商业化,且这一成果即将用于 2022 年北京冬奥会。
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