Nature刊发华人教授锂电新研究: 充电11分钟续航400公里 只用加一层薄镍箔

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电动汽车电池快充技术有了重要突破!新能源汽车快充时代开拓者之一、宾夕法尼亚大学教授王朝阳及其团队研究出一种新方法,让电池充电速度“突飞猛进”:给普通的电动车电池加薄薄一层镍片后,仅需 10 分钟左右,就能充电 70%。而且这种电池循环寿命高达 2000 次以上:

据研究团队估算,这相当于在每块电池的寿命之内,共计最多可以跑 50 万英里(约 80 万公里)。

(汽车一般跑 60 万公里就报废了)

要知道,虽然电动车势头正猛,但到目前为止,其充电效率仍让众多车主觉得“和理想相距甚远”:

市面上,现有的最先进的机汽车快充也需要 45 至 60 分钟的时间。

所以王朝阳团队的这个新成果,无疑让电动汽车向着真正的“理想快充”前进了一大步!

前几天,相关成果论文已登上了 Nature。

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IEEE 综览(IEEE Spectrum)表示,用此技术配合快充桩,将是把动力电池小型化,并解决电池供应、原材料匮乏乏和新能源汽车成本问题的最有效手段之一。

那么这个研究团队是如何让电池充电速度飞升的?

11 分钟,充电 70%

在本研究展开前,王朝阳院士根据先前的成果指出:

电池在一个较高的温度范围内运行得最好,但也不能太热。

所以研究者要做的一件事情就是:把电池的温度控制在准确范围内。不过这也是个难点。

王朝阳说,在早期,他们团队一直通过笨重的外部加热、冷却系统来调节电池温度,这些系统反应缓慢,浪费了大量的能源。

而这次,他们主要从电池的内部入手,通过电池的内部材料来调节其温度。

他们选择了一种富镍层状氧化物(LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2,简称 NMC811)来作电池的阳极。

这种材料具有高比容量和放电电压,以及成本相对较低的优点,所以成了开发新一代高能全固态锂电池“潜力股”。

但是,NMC811 与固态电解质之间,存在严重的表面电化学、化学和电压不相容等问题。

为了改善这些问题,并提高充电速度,研究人员主要从 3 个角度做出调整:

他们采用了一种叫 ATM 的方法,并且把阳极的孔隙率调节到更大,还把电解质升级成了双盐电解质。

下面细说一下 ATM。

这里的 ATM 可不是取款机,而是不对称温度调节法(Asymmetric temperature modulation)。

通过这种方法,一方面可以快速预热电池,然后使其在高温下快速充电,并利用热增强的电化学和传输过程来消除锂镀层。

锂镀层容易在快速充电过程中生成,具有许多负作用,比如造成电池容量迅速损失,甚至还有安全风险。

所以消灭它,就减少了许多负面影响。

另一方面 ,ATM 法还有益于电池的长期稳定,或者说,有益于延长电池寿命。

具体而言就是,在锂离子电池工作过程中,阳极表面会形成一层薄薄的电解质还原产物 SEI(固体电解质中间相),可防止电解质进一步分解,稳定电极和电解质之间的界限。

所以,SEI 是电池稳定性和寿命的重要指标。

但受到电池使用过程中高温因素等的影响,SEI 层会慢慢降解,导致电池容量损失。

而通过 ATM 法,电池只在预热和快速充电期间处于 60℃左右的高温,其他时间温度迅速下降,从而减缓 SEI 的降解速度,延长电池寿命。

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实验结果显示,如果锂电池以每秒 4 库伦的速度,每次都充到最大容量的 75%,锂电池可以正常重复使用 900 多次(可以跑约 40 万公里)。

而如果按同样的速度充电,每次花 11 分钟左右充到 70%,则可正常重复使用 2000 多次(可以跑约 80 万公里)。

在充到 70% 的情况下,汽车的续航里程可达 400 公里。

研究者在论文中写道,这个“充电 11 分钟,单次续航 400 公里,可重复 2000 多次”的结果,打破之前的所有纪录。

王朝阳:开启新能源汽车快充时代

再来说说这篇论文的一作,王朝阳院士。

1984 年至 1987 年间,王朝阳先后获浙大热物理工程的本科和研究者学位,并在硕士期间师从我国著名传热学专家屠传经教授。

他现为美国国家发明家科学院院士,并任宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系讲席教授,研究领域包括燃料电池和二次电池等。

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截至目前,王朝阳已经发表 150 余篇文章,拥有 16 项美国专利,并撰写过多部书籍和综述,在 SCI 被引用超 4500 次。

在世界燃料与能源领域,他是近十年来被引用次数最多的前 20 位作者之一。

另外,其实从 2016 年起,王和他的团队就已在锂离子电池内部添加了镍箔,以加热它们并帮助它们在冰冷的环境中表现得更好。

而前文提到的 ATM 法,是他们在 2019 年提出的。

随后,他们实现了当时的动力电池极速充电最好实验结果 ——210Wh/kg。

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Wh/kg是电池质量能量密度单位,代表每千克电池器件可提供的能量。

从理论上讲,电池的质能密度越大,意味着其性能越好。

在新研究中,他们同样用镍箔来加热电动车电池并提高其性能,并再次取得进步:

现在的最新成果显示,这种极速充电电池的质能密度已经达到 265Wh/kg。

目前,研究团队正在和 EC Power 公司商讨合作,预计在两年之内把这种电池产业化。

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论文地址:

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

参考链接:

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

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