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

alex 2022-10-22 15:23:51 來源：量子位

Alex 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

電動汽車電池快充技術(shù)有了重要突破！

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

給普通的電動車電池加薄薄一層鎳片后，僅需10分鐘左右，就能充電70%。

而且這種電池循環(huán)壽命高達2000次以上：

據(jù)研究團隊估算，這相當于在每塊電池的壽命之內(nèi)，共計最多可以跑50萬英里（約80萬公里）。

（汽車一般跑60萬公里就報廢了）

要知道，雖然電動車勢頭正猛，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”：

市面上，現(xiàn)有的最先進的機汽車快充也需要45至60分鐘的時間。

所以王朝陽團隊的這個新成果，無疑讓電動汽車向著真正的“理想快充”前進了一大步！

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題的最有效手段之一。

那么這個研究團隊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，王朝陽院士根據(jù)先前的成果指出：

電池在一個較高的溫度范圍內(nèi)運行得最好，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確范圍內(nèi)。不過這也是個難點。

王朝陽說，在早期，他們團隊一直通過笨重的外部加熱、冷卻系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電池溫度，這些系統(tǒng)反應(yīng)緩慢，浪費了大量的能源。

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

他們選擇了一種富鎳層狀氧化物（LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2，簡稱NMC811）來作電池的陽極。

這種材料具有高比容量和放電電壓，以及成本相對較低的優(yōu)點，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，存在嚴重的表面電化學(xué)、化學(xué)和電壓不相容等問題。

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

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

下面細說一下ATM。

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

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

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

所以消滅它，就減少了許多負面影響。

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

具體而言就是，在鋰離子電池工作過程中，陽極表面會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。

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

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

實驗結(jié)果顯示，如果鋰電池以每秒4庫倫的速度，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80萬公里）。

在充到70%的情況下，汽車的續(xù)航里程可達400公里。

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

王朝陽：開啟新能源汽車快充時代

再來說說這篇論文的一作，王朝陽院士。

1984年至1987年間，王朝陽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著名傳熱學(xué)專家屠傳經(jīng)教授。

他現(xiàn)為美國國家發(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，王朝陽已經(jīng)發(fā)表150余篇文章，擁有16項美國專利，并撰寫過多部書籍和綜述，在SCI被引用超4500次。

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

另外，其實從2016年起，王和他的團隊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在冰冷的環(huán)境中表現(xiàn)得更好。

而前文提到的ATM法，是他們在2019年提出的。

隨后，他們實現(xiàn)了當時的動力電池極速充電最好實驗結(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，他們同樣用鎳箔來加熱電動車電池并提高其性能，并再次取得進步：

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)達到265Wh/kg。

目前，研究團隊正在和EC Power公司商討合作，預(yù)計在兩年之內(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