1月10-12日，以“把握形勢(shì) 聚焦轉(zhuǎn)型 引領(lǐng)創(chuàng)新”為主題的2020中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì)論壇在北京舉行。
活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，賓夕法尼亞大學(xué)講席教授、美國(guó)國(guó)家發(fā)明家科學(xué)院院士王朝陽(yáng)發(fā)表了演講。
我還是按照慣例講中文，但是我的PPT是英文，希望能夠照顧到國(guó)內(nèi)外的朋友。首先，感謝歐陽(yáng)教授還有組委會(huì)邀請(qǐng)我來(lái)參加這個(gè)會(huì)議，我去年來(lái)過(guò)一次，這個(gè)會(huì)很重要，我自己覺(jué)得很重要，對(duì)我了解國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池的研發(fā)起著很大的作用，所以特別感謝。
我今天要分享的是怎么利用速熱辦法達(dá)到動(dòng)力電池的極速快充，具體的是10分鐘快充的工作。快充應(yīng)該是電動(dòng)汽車(chē)的必然趨勢(shì)，也是電動(dòng)汽車(chē)真正普及化的一個(gè)必要條件，在美國(guó)去年年底之前應(yīng)該有2000多個(gè)快充樁建立起來(lái)，這些都是350kW的DC直流快充樁，350KW用在60 kWh的電池包應(yīng)該可以達(dá)到10分鐘或者6個(gè)倍率的快充速度，所以是很好的基礎(chǔ)設(shè)施。大家可能也都知道，特斯拉新的版本V3它的快充功率是240kW，在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有了，這樣快充樁的基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)該是慢慢普遍起來(lái)。在歐洲也是幾個(gè)車(chē)企的聯(lián)名，已經(jīng)在各大高速公路上面建立快充的網(wǎng)絡(luò)，所以基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)該有。下面的問(wèn)題是我們的動(dòng)力電池能抽受這么大功率的快充嗎，這是我今天和大家分享的問(wèn)題。
不但要進(jìn)行大功率的快充，而且要在任何溫度下面都能夠進(jìn)行10分鐘的快充，這個(gè)難度更大了。大家都知道動(dòng)力電池充電的能力和溫度是極其相關(guān)。這是美國(guó)的地圖，一年的平均溫度，美國(guó)25州是低于0℃，47個(gè)州是接近10℃，所以低溫快充非常必要。右邊的表格是充電的表格，在常溫25℃的時(shí)候，可能能達(dá)到30分鐘快充，但是一旦溫度在0度的時(shí)候，充電的時(shí)間要大大延長(zhǎng)，要90分鐘以上，所以快充的能力和電池的溫度非常相關(guān)。快充最重要科學(xué)上的挑戰(zhàn)就是析鋰，假如說(shuō)材料的特性和傳遞的能力趕不上，把這么大的鋰離子切入到石墨顆粒當(dāng)中就會(huì)出現(xiàn)鋰離子表面沉積，形成析鋰，析鋰是一個(gè)很危險(xiǎn)的東西，降低壽命。析鋰是取決于最重要的兩個(gè)因素，一個(gè)是充電的速率，另外一個(gè)是溫度，這兩個(gè)是相互的關(guān)系。
這里我們看一下，文獻(xiàn)當(dāng)中充電的壽命和溫度是什么關(guān)系。所有的實(shí)踐都是在1個(gè)小時(shí)充放電的標(biāo)準(zhǔn)條件下，假如說(shuō)25度常溫，我們壽命定義成1，到了10度，非常普通的時(shí)候，壽命只有50%了，你要是到了北京的冬天，到了負(fù)20度的話，壽命是小于1/10，電池的壽命和溫度是有極大的關(guān)系。當(dāng)然，做動(dòng)力電池還有做電動(dòng)汽車(chē)的，希望在溫區(qū)，從恒溫到常溫都能達(dá)到不影響壽命，所以目標(biāo)是上面這根線。
怎么樣達(dá)到這個(gè)目標(biāo)呢，我們發(fā)表了一個(gè)預(yù)熱快充法。假如說(shuō)初始溫度負(fù)20℃，我們先迅速的預(yù)熱，30秒之內(nèi)熱到常溫25℃，然后再接著快充，比如說(shuō)3.5C，基本上是15分鐘快充，總共預(yù)熱加快充時(shí)間還是小于15分鐘，不影響電池的壽命。整個(gè)想法關(guān)鍵的一步就是有一個(gè)快速預(yù)熱的結(jié)構(gòu)，非常幸運(yùn)的是，四年前我們已經(jīng)發(fā)明了這個(gè)結(jié)構(gòu)，右下角的電路上可以看到，動(dòng)力電池與充電樁鏈接的時(shí)候，充電的電流一旦開(kāi)關(guān)閉合，充電電流首先要通過(guò)鎳鉑進(jìn)行純粹的加熱，沒(méi)有任何電化學(xué)反應(yīng)，把溫度提高到合適快充的時(shí)候，再把開(kāi)關(guān)打開(kāi)，同樣的電流來(lái)充電電池材料，所以這是很簡(jiǎn)單的，就是開(kāi)和關(guān)一鍵的動(dòng)作，就可以達(dá)到加熱快充，加熱速度非常快，每分鐘60kWh，還可以更快，100 kWh，120 kWh。
有了這個(gè)結(jié)構(gòu)以后，可以對(duì)電池在任何溫度上進(jìn)行快充，這里是3.5C進(jìn)行快充，0℃需要30秒鐘加熱到25℃，-50℃需要69秒鐘加熱到25℃，再進(jìn)行15分鐘快充，總共加熱時(shí)間加上充電時(shí)間基本上是在15分鐘，幾乎不影響，就是說(shuō)可以在-50℃，當(dāng)電池電化學(xué)已經(jīng)停止工作情況下也可以進(jìn)行快充，甚至也可以做-100℃可以快充，只不過(guò)時(shí)間再多1分鐘而已。它的溫度曲線，電壓的曲線大家都可以看到，這個(gè)結(jié)果是去年發(fā)在美國(guó)科學(xué)院會(huì)刊上面。
有了預(yù)熱再快充，大大延長(zhǎng)壽命，假如說(shuō)在0℃直接快充，用3.5C快充，大概循環(huán)只有60次的樣子，但是假如說(shuō)你預(yù)熱以后再用3.5C快充它有4500次，4500次什么概念，即使是一天一次，都有12年的壽命。所以它不影響充電的時(shí)間，因?yàn)轭A(yù)熱時(shí)間很短。
這是15分鐘的快充，是我們前年發(fā)表的成果，我們現(xiàn)在怎么樣取得10分鐘快充，難度挑戰(zhàn)更大了，因?yàn)樗枰?C充電。這個(gè)時(shí)候你會(huì)發(fā)現(xiàn)加熱到常溫已經(jīng)是不足夠進(jìn)行6C快充，6C假如說(shuō)在常溫下面循環(huán)大概只有60次的樣子。所以在常溫下面，6C還是承受不了。
我們?cè)趺聪朕k法解決這個(gè)問(wèn)題呢，還是回到基本的鋰離子運(yùn)動(dòng)的基本過(guò)程，三個(gè)過(guò)程，一個(gè)是離子從電解液過(guò)來(lái)，另外一個(gè)是在石墨表面上嵌入反應(yīng)，第三個(gè)是在石墨顆粒當(dāng)中怎么擴(kuò)散，這三個(gè)過(guò)程它的速率取決于你能不能做快充。很簡(jiǎn)單，我們不是光加熱到常溫，而是加熱到60℃，原來(lái)起始溫度是常溫的，我從20℃到60℃，可以把電解液導(dǎo)電增加一倍，相當(dāng)于我發(fā)明了一個(gè)新型的電解液，導(dǎo)電率增加了一倍的電解液，然后可以在石墨顆粒當(dāng)中，鋰離子擴(kuò)散系數(shù)增加6倍，相當(dāng)于發(fā)明了新型的石墨，快速擴(kuò)散。還有，就是把石墨表面的電化學(xué)反應(yīng)增加12倍，一個(gè)熱溫度效應(yīng)可以達(dá)到相當(dāng)于三個(gè)材料方面改進(jìn)的作用，效果非常明顯。
有了這些以后，我們可以進(jìn)行快充，沒(méi)有析鋰的快充。但是我們?cè)谧鲋埃芏喽紩?huì)想，加熱到60℃是有風(fēng)險(xiǎn)的，我們知道鋰離子電池在高溫下面會(huì)衰減，確實(shí)在常溫下有2000多循環(huán)，40℃1500個(gè)循環(huán)，20℃只有二三百個(gè)循環(huán)，我們?cè)趺礃右种七@個(gè)增長(zhǎng)呢，很簡(jiǎn)單，用一個(gè)巧妙的辦法，就是控制電芯呆在60℃的時(shí)間，我們發(fā)明了一個(gè)方法ATM（Asymmetric Temperature Modulation），非對(duì)稱(chēng)溫度調(diào)制，具體的意思是說(shuō)電池在使用過(guò)程當(dāng)中，無(wú)論是放電還是回家慢慢充電，都是在常溫下面進(jìn)行，但是假如需要快充的時(shí)候，我能夠瞬間的，非常快的，把電池溫度增加到60℃，然后進(jìn)行無(wú)析鋰的快充，在60℃改善性能，沒(méi)有析鋰。快充完了以后，我又可以快速的把電芯從60℃冷卻到40℃，這樣的話呆在60℃的時(shí)間極短。大部分時(shí)間是在常溫工作，普通的標(biāo)準(zhǔn)電池活性，可以行駛，也可以在家里慢慢充電，但是一旦有需要到快充站進(jìn)行快充之前，我們會(huì)很快在1分鐘內(nèi)或者30秒內(nèi)進(jìn)行熱刺激，把你的電池活性提高好幾倍，然后就可以進(jìn)行無(wú)析鋰的快充，10分鐘之后冷卻下來(lái)，該干啥干啥。所以，在整個(gè)壽命周期呆在60℃的時(shí)間是極短，我們可以進(jìn)行估算，假設(shè)這個(gè)電池有1000次快充的壽命，每次快充假設(shè)是10分鐘，算起來(lái)有7天的時(shí)間，而1000次的快充可以產(chǎn)生20萬(wàn)英里的里程，或者說(shuō)約30萬(wàn)公里，相當(dāng)于12年的時(shí)間，呆在60℃的時(shí)間相對(duì)整個(gè)壽命周期只有0.2%，衰減幾乎很少，呆在60℃，無(wú)析鋰就下來(lái)了。
可以做很多分析，這是具體的測(cè)試數(shù)據(jù)，用這種快速辦法，10分鐘6C快充，上面的圖是電壓圖，下面是溫度圖，電壓在剛開(kāi)始有充電電流加熱30秒，溫度從25℃到60℃，然后加熱停止以后，進(jìn)行6C快充，在10分鐘不到的過(guò)程當(dāng)中完成80%的SOC充電，溫度基本上保持在60到62度，溫升很小，用這種辦法，我一會(huì)講為什么。充電完了以后，你溫度下降也會(huì)很快，大概在15分鐘內(nèi)，從60度降到40度，在40度內(nèi)電池是相對(duì)安全的，不會(huì)有太多的衰減。所以總共呆在60℃附近的時(shí)間也很短，對(duì)電池壽命沒(méi)有什么太多的影響，所以訣竅就在這里，這樣保證了能夠無(wú)析鋰的快充，所以壽命有保證。同時(shí)用這種辦法可以對(duì)高能量密度的電芯進(jìn)行快充。
這是一組數(shù)據(jù)說(shuō)明另外一個(gè)重要的結(jié)果，用速熱快充法我們對(duì)冷卻的要求減少了13倍，也就是減少了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，用我們這個(gè)辦法，快充的熱管理是很容易的事情，很多人也很納悶，我們先看試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這組試驗(yàn)數(shù)據(jù)都是在6C條件下進(jìn)行，不同的條件就是初始的溫度，假如說(shuō)初始溫度是常溫20℃，我需要開(kāi)很大的風(fēng)扇把電芯冷下來(lái)，然后電芯的溫升大概是10℃的樣子，但是一旦把充電溫度預(yù)熱到40度的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)只要保持很微弱的風(fēng)扇，就可以讓電芯在10分鐘快充期間溫升幾乎沒(méi)有。假如說(shuō)在49℃，都不能保持這個(gè)風(fēng)扇，要把風(fēng)扇關(guān)了，自然對(duì)流才能保持沒(méi)有溫升，開(kāi)著風(fēng)扇溫度往下掉，在這種辦法下面，我們的挑戰(zhàn)是怎么保溫而不是怎么散熱，所以對(duì)散熱的要求是極低的，60℃的話，我要把電芯包起來(lái)進(jìn)行大電流的快充，用絕熱材料包起來(lái)。
什么原因，用一個(gè)簡(jiǎn)單的熱平衡可以計(jì)算出來(lái)，要想在10分鐘快充過(guò)程當(dāng)中，溫升0的話，電芯的產(chǎn)熱必須被散熱平衡掉，這是產(chǎn)熱的一個(gè)方程式，假如說(shuō)有一個(gè)絕好的熱管理系統(tǒng)，它能夠讓一個(gè)電芯在常溫20℃的時(shí)候進(jìn)行快充又保持溫升是0，就必須平衡。同樣的熱管理系統(tǒng)，我要進(jìn)行預(yù)熱快充的方法，在60℃快充，發(fā)生兩個(gè)變化，第一個(gè)變化，內(nèi)阻減少了一倍，也就是說(shuō)產(chǎn)熱只有1/2，有的時(shí)候產(chǎn)熱只有1/3，產(chǎn)熱就少了一大堆。第二，散熱能力在同樣的熱管理設(shè)計(jì)下面，散熱的能力增加了很多倍，它說(shuō)60℃到20℃，相比從26℃到20℃，溫差大大增加。所以這個(gè)時(shí)候要保持溫升是0的話，要把熱管理的能力降低13倍，也就是說(shuō)原來(lái)是水冷要改成風(fēng)冷，風(fēng)冷改成自然對(duì)流，傳熱面積還要減少，所以這些都是顛覆傳統(tǒng)的理念，覺(jué)得在大電流快充下面必須要增加熱管理，不是這樣的情況。所以對(duì)我們熱管理帶來(lái)了很大的便利，當(dāng)然很多數(shù)據(jù)可以看，隨著充電溫度可以看到壽命是在往上漲，剛開(kāi)始沒(méi)有加熱，一直到加熱到40℃，49℃，60℃，壽命一直是往上漲。
我們也做過(guò)很多表征，電芯循環(huán)完了以后做解剖試驗(yàn)，可以看得出，在26℃進(jìn)行6C快充有很多析鋰，60℃很少有析鋰，我們做過(guò)SEM，XPS等各種各樣的分析，在60℃快充可以看到石墨原來(lái)的形貌都保留在那。具體的數(shù)據(jù)很多，我們可以在文獻(xiàn)當(dāng)中查得到。
另外一個(gè)，一旦消除析鋰，沒(méi)有析鋰以后，電池衰減在我們的電芯當(dāng)中，電芯衰減只是由SEI控制，這個(gè)時(shí)候還有一個(gè)訣竅，我可以把石墨顆粒做的大一點(diǎn)，比表面積做的小一點(diǎn)。這是一個(gè)對(duì)比試驗(yàn)，假如說(shuō)把壽命和在時(shí)間的尺度當(dāng)中畫(huà)出來(lái)，一個(gè)是在紅色的曲線，另外就是拿一個(gè)電池，直接在60℃里面循環(huán)，同樣也可以把壽命和時(shí)間尺度表達(dá)出來(lái)，就是藍(lán)色的曲線，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它兩個(gè)幾乎是重合的，特別是在80%的衰減之前是重合的，說(shuō)明主要衰減是時(shí)間的因素，所以是在時(shí)間尺度上這兩個(gè)是一模一樣的，但是在循環(huán)尺度上或者循環(huán)次數(shù)相差很大，比如說(shuō)1C充放電一次循環(huán)，這個(gè)是2個(gè)小時(shí)，這個(gè)快充只有10分鐘，在循環(huán)次數(shù)上是保持很高的性能。
剛才已經(jīng)提到過(guò)，因?yàn)槲覀冎涝贏TM的電池當(dāng)中，它的主要衰減基理，可以把石墨比表面積做小，進(jìn)一步改善它的壽命，藍(lán)的曲線就是以前的，在上面跟大家說(shuō)的所有的標(biāo)準(zhǔn)的石墨，比表面積3.6，我們把它減少到1.5，衰減又進(jìn)一步減少。放在循環(huán)，到2500次，10分鐘快充，它的衰減都沒(méi)有超過(guò)9%，這種都是有3000次的循環(huán)。相比DOE，美國(guó)能源部的500次，我們現(xiàn)在已經(jīng)2500次，5倍。在這個(gè)方法當(dāng)中，最關(guān)鍵一點(diǎn)就是預(yù)熱的速度，你不能呆在高溫時(shí)間太長(zhǎng)，我們把壽命和充電的溫度劃成一塊，用加熱速度作為曲線的參數(shù)，就可以看到，比如說(shuō)25℃沒(méi)有加熱，直接就在25℃常溫充電，我們把它的壽命定義為1，目前的外加熱速度基本上每分鐘0.5秒，我要熱到60℃充電，需要很長(zhǎng)的時(shí)間，大概需要70分鐘的樣子，再加上10分鐘充電，總共時(shí)間是80分鐘，所以在60度衰減非常厲害，因?yàn)榇粼?0度時(shí)間很長(zhǎng)。假如說(shuō)把預(yù)熱的時(shí)間和充電的時(shí)間全加起來(lái)，這樣比較科學(xué)，這是我們總共的充電時(shí)間，垂直的坐標(biāo)是壽命，把兩個(gè)放在一塊，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，用目前的結(jié)構(gòu)，外置的加熱是達(dá)不到快充的目的，快充的總共時(shí)間要短，壽命要長(zhǎng)，它走的是相反的方向，預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，壽命短，而我們的FCB是在這個(gè)角落里完全符合快充的要求。所以預(yù)熱的時(shí)間或者預(yù)熱的速度是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)。
最后一頁(yè)我給大家看一下這個(gè)獨(dú)立測(cè)試評(píng)估的報(bào)告，這是Argonne Natl Lab，我們把材料寄給它，它按照它的方法測(cè)試，它的測(cè)試結(jié)果跟我們沒(méi)有關(guān)系。右邊可以看到，做了500循環(huán)，DOE只做500循環(huán)，到了500循環(huán)就停掉了，我們的快充就是圓圈，跟標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)，它的壽命幾乎是沒(méi)有差別，也就是說(shuō)6C的快充沒(méi)有引起多余或者額外的電池的損傷，非常接近，這個(gè)結(jié)果很好。更驚訝的是，看到左邊的照片，這是電芯放在絕熱材料里，包起來(lái)快充，進(jìn)行大電流快充，6C就是60A，很少有人嘗試這個(gè)東西，但是有時(shí)候一旦突破傳統(tǒng)的理念你就會(huì)發(fā)現(xiàn)外面的景色非常美，非常簡(jiǎn)單，反而變得更簡(jiǎn)單，而且必須包起來(lái)，不包起來(lái)溫度會(huì)下降。即使在包起來(lái)的情況下面，大電流充電壽命還這么好。
所以很快總結(jié)一下。首先，這是速熱快充法，我想是相對(duì)比較簡(jiǎn)單的一個(gè)方法。它對(duì)目前的電池，就是目前純電動(dòng)的能量型的電池可以做到2500到3000次，沒(méi)有任何問(wèn)題。這個(gè)方法能夠?qū)﹄姵氐睦鋮s減少要求，也是減少成本，目前做的工作就是在循環(huán)，更高能量密度，比如280Wh/kg，更厚的電極，更致密的電極，應(yīng)該是1000次也沒(méi)有問(wèn)題，希望在不遠(yuǎn)的將來(lái)和大家分享更多的結(jié)果。FCB技術(shù)已經(jīng)被相當(dāng)多的車(chē)企和制造商驗(yàn)證過(guò)，包括我剛才說(shuō)的Argonne Natl Lab驗(yàn)證過(guò)。這個(gè)是美國(guó)有100年歷史的科普印刷品，他寫(xiě)了一篇文章，用這個(gè)勉勵(lì)所有在座的科研人員，一些新的發(fā)現(xiàn)或新的研究，可以改變?nèi)魏问虑椋@就是我們科研人員的初衷，希望我們的一些東西能改變?nèi)魏问虑椤?/div>
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