除了成本，電動(dòng)汽車?yán)锍探箲]癥是限制電動(dòng)汽車大規(guī)模普及的重要因素之一。所謂里程焦慮，是指人們?cè)谛旭傔^程中擔(dān)心電動(dòng)汽車的電量不足，不足以將其帶到充電樁充電或者目的地。

 

目前，有望解決里程焦慮癥的有效方案是鋰電快充技術(shù)，提高電動(dòng)汽車的續(xù)航能力。在這方面，特斯拉取得了亮眼的業(yè)績(jī)。2020年6月29日，特斯拉在官網(wǎng)發(fā)布了Model 3高性能全輪驅(qū)動(dòng)版車輛的國(guó)標(biāo)工況續(xù)航里程，續(xù)航里程測(cè)試結(jié)果為635km，百公里加速時(shí)間為3.4秒。操控性和空氣動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)極佳，時(shí)速可達(dá)261公里/小時(shí)。最重要的是，充電 15 分鐘即可補(bǔ)充最多約 250 公里的續(xù)航電量。

 

在技術(shù)層面上，雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鋰電快充技術(shù)，但是這離不開高活性電極材料的保駕護(hù)航，隨之而來的便是人們非常關(guān)注的安全性和成本問題。而消費(fèi)者是否愿意為高成本和高風(fēng)險(xiǎn)買單，這似乎不言而明。

 

因此，如何兼具低成本、安全性高、高能量密度和充電速度，成為了鋰電池發(fā)展進(jìn)程中的一個(gè)永恒主題。

 

近日，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)王朝陽(yáng)院士團(tuán)隊(duì)通過采用一種更為簡(jiǎn)捷、成本低廉的“熱刺激”技術(shù)，攻克了鋰電池快速充電和電池壽命難以兼得的關(guān)鍵問題。團(tuán)隊(duì)提出了熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池(TM-LFP battery) 的新型概念，研制出一種集低成本、安全性、快充且高續(xù)航里程于一身的高性能磷酸鐵鋰電池，有望解決新能源汽車發(fā)展的“里程焦慮”和“充電時(shí)間焦慮”難題。

 

據(jù)悉，僅需充電10分鐘，該磷酸鐵鋰電池即可續(xù)航約250公里，而且成本僅與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相當(dāng)。值得一提的是，裝載該電池的電動(dòng)汽車可在3秒內(nèi)加速到60公里/小時(shí)！相關(guān)研究成果以“Thermally modulated lithium iron phosphate batteries for mass-market electric vehicles”為題，發(fā)表在《Nature Energy》上！

 

 

 

 

低成本、快充和電池壽命如何兼得？

 

王朝陽(yáng)院士表示，秘訣就在于團(tuán)隊(duì)前期研發(fā)的熱刺激技術(shù)，也稱自加熱技術(shù)（self-heating technology）。

 

在介紹該技術(shù)之前，先來看看鋰電池快充技術(shù)的原理。簡(jiǎn)單來說，快充的實(shí)質(zhì)就是增加鋰離子的傳遞速率。普遍的做法是提高溫度，從而加快鋰離子移動(dòng)速度，那么相應(yīng)的充電速度就會(huì)提升。但是提高溫度帶來了新的問題，長(zhǎng)時(shí)間高溫充電會(huì)讓電解液分解，縮短電池壽命。這就需要摸索出一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟葏?shù)和時(shí)間參數(shù)。

 

 

圖一：鋰電快充原理示意圖。高溫下充電速度會(huì)加快，其中金色小球代表鋰離子。（圖源：賓夕法尼亞州立大學(xué)）

 

在前期的研究中，王院士團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如果電池能在充電前迅速加熱到60℃，快充10分鐘，然后迅速降溫到環(huán)境溫度，那么不僅不會(huì)形成電池的熱衰減，還能避免嚴(yán)重的SEI膜增長(zhǎng)。

 

而王朝陽(yáng)院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)的自加熱技術(shù)的關(guān)鍵就在于：在特定溫度下快速充電。為了讓電池能夠在快充前迅速加熱到指定溫度，王朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)在電池內(nèi)部插入 50 微米厚度的鎳箔，一端連接到負(fù)極，另一端延伸到電池外部以形成第三端。電流一旦流動(dòng)，就會(huì)通過電阻加熱鎳箔，產(chǎn)生熱量。一旦電池內(nèi)部溫度超過 60 ℃時(shí)，就會(huì)觸動(dòng)溫度傳感器并關(guān)閉鎳箔電流，此時(shí)電池與準(zhǔn)備好快速充電。而不工作時(shí)，電池的溫度會(huì)快速冷卻到環(huán)境溫度。

 

 

圖2：自加熱電池結(jié)構(gòu)圖

 

熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池的性能賣點(diǎn)

 

基于上述技術(shù)，王朝陽(yáng)院士團(tuán)隊(duì)提出了熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池(TM-LFP battery)的概念，其核心在于：在電動(dòng)汽車充電之前將電池快速加熱至60℃左右進(jìn)行快充，停止充電后電池會(huì)迅速冷卻至環(huán)境溫度。

 

性能賣點(diǎn)一：10分鐘快速充電，可續(xù)航約250公里，而且不會(huì)出現(xiàn)所謂的析鋰現(xiàn)象。

 

如圖3所示，磷酸鐵鋰電池在室溫下最快可實(shí)現(xiàn)20分鐘 (3C)充電，而在低溫（0℃）下，只能實(shí)現(xiàn)80分鐘(0.7C)充電。相反，如果在充電之前先將電池加熱至60℃，磷酸鐵鋰電池在6C的倍率下充電也沒有觀察到析鋰現(xiàn)象，而且充電時(shí)間可降至10分鐘以內(nèi)。這也意味著，只要加熱速度足夠快，熱調(diào)控電池在任何環(huán)境溫度下都可以實(shí)現(xiàn)10分鐘快速充電。

 

 

 

圖3：磷酸鐵鋰電池在不同環(huán)境溫度下最大充電速率。

 

性能賣點(diǎn)二：全氣候電池，實(shí)現(xiàn)250公里的高續(xù)航能力，百公里加速時(shí)間僅需3秒以內(nèi)。

 

基于團(tuán)隊(duì)前期的自加熱電池結(jié)構(gòu)，熱調(diào)控電池每升溫10℃大概消耗1.35%SOC，這意味著從-20℃加熱至60℃需要消耗10.8% SOC。也就是說，即使在-20℃環(huán)境中熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池加熱后只剩余89.2% SOC，仍然可以提供大于250公里的續(xù)航里程（圖4a）。此外，該電池在-20℃， 10%SOC下的功率密度仍然達(dá)到~1500W/kg（圖4b）。更重要的是，所組裝的40kWh的電池包能夠?qū)崿F(xiàn)大于300kW的峰值功率，這意味著百公里加速時(shí)間可維持在3秒以內(nèi)，超越了特斯拉！

 

 

圖4：熱調(diào)控電池能夠?qū)崿F(xiàn)全氣候、高續(xù)航里程、高功率以及10分鐘快充。

 

性能賣點(diǎn)三：采用低活性，低比表面積的石墨作為負(fù)極材料，電池的壽命有望超過200萬公里。

 

最后，團(tuán)隊(duì)對(duì)比了傳統(tǒng)三元電池、磷酸鐵鋰刀片電池、熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)。如圖5所示，熱調(diào)控電池可同時(shí)滿足電動(dòng)汽車的多項(xiàng)需求，集低成本、高安全、高功率、快速充電、全氣候、長(zhǎng)壽命于一身，有望應(yīng)用于未來面向大眾市場(chǎng)的電動(dòng)汽車中。

 

 

圖5：熱調(diào)控磷酸鐵鋰電池、傳統(tǒng)三元電池、磷酸鐵鋰刀片電池的性能指標(biāo)雷達(dá)圖。

 

10分鐘快充技術(shù)離產(chǎn)業(yè)化有多遠(yuǎn)？

 

團(tuán)隊(duì)表示，該技術(shù)基本上是能直接產(chǎn)業(yè)化的，原因在于：一，實(shí)驗(yàn)采用了工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的電池；二，技術(shù)通過了第三方、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。

 

此外，據(jù)了解王朝陽(yáng)院士另一項(xiàng)重大技術(shù)突破“全氣候”電池，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，且這一成果即將用于 2022 年北京冬奧會(huì)。