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      天天熱議:華裔教授突破快充技術:10分鐘充電75%,行駛400公里,新電池2年內量產

      2022-10-30 15:56:24 來源:超電實驗室


      (資料圖)

      當幾乎所有的電動車都能10分鐘充滿75%,還會存在里程焦慮嗎?

      眼下就有一種新型的充電技術,可以實現10分鐘超級快充。

      最近,來自美國賓夕法尼亞州立大學王朝陽(Chao Yang Wang)教授聯合多位研究人員,在鋰離子電池快充技術上獲得一項重大突破。

      據他們描述,這種快速充電技術適用于大多數能量密集的電池,使電動汽車電池充電時間縮短到10分鐘。即便將電動汽車電池從150千瓦時縮小到50千瓦時,司機也不會有里程焦慮。

      這項技術突破以“Fast charging of energy-dense lithium-ion batteries”為題發表在國際頂級期刊《Nature》上。

      這種突破性的技術,更是得到了美國能源部、美國國防部、美國空軍和威廉·迪芬德弗基金會的青睞。

      01

      在鋰電池中加鎳箔

      目前提升電池快充能力的主流手段是電池材料改性,如提升電解液電導率、增加石墨材料比表面積等,這些都是在犧牲電池在正常工作條件下的壽命和安全性為代價,但這些手段大多都效果不佳。

      而這項最新技術的核心,主要在于對電池內部的熱量進行調節。

      電池在運行時需要熱起來但卻不能太熱,一直以來,電池的溫度基本都是依賴外部附加的龐大的加熱和冷卻系統來控制,這種系統反應非常緩慢,還會浪費大量能源。

      為此研究人員開發了一種新的電池結構,除了陽極、電解質和陰極外,還添加了超薄的鎳箔作為第四種成分。

      作為一種刺激物質,而鎳箔可以自我調節電池的溫度和反應性,這使得任何電動汽車電池都可以快速充電10分鐘。

      其實早在6年前,王朝陽及其同事就開始在鋰離子電池中添加鎳箔來加熱,幫助電池在嚴寒環境中有更好的續航。

      不過有個問題是,當前所有車用鋰電池在高功率充電下都無法避免析鋰現象的發生,這也極大縮短了電池壽命并可能造成安全隱患。

      王朝陽及其團隊為了應對這個問題,采用兩種鹽性(0.6 M LiFSI +0.6 M LiPF6)的電解液替換了傳統的電解液體系(1M LiPF6)。

      相比于單一的LiPF6溶液,LiFSI溶液有更高的鋰離子遷移數(0.56 vs. 0.38),在同樣的倍率下,LiFSI還可以降低電解液濃差極化,提高電極厚度方向嵌鋰反應的均勻性,這樣不僅提高了電解液的熱穩定性,又極大降低了析鋰風險。

      結合此前王朝陽團隊先前研發的速熱以及非對稱溫度熱調控(Asymmetric Temperature Modulation, ATM)的方法(即充電前加熱至高溫(~60oC)快速充電,室溫放電)。

      可以實現了高能量密度鋰離子電池(265 Wh/kg)的快速充電(10分鐘充電~75% ),并能夠穩定循環高達2000次以上,也創造了動力電池極速充電的世界記錄。

      而且這些創新首次揭示了高比能動力電池極速充電只需要空氣冷卻,大大提高了電池系統的集成度、可靠性和安全性。

      研究人員表示,這項工作與目前聲稱充電 10 分鐘后可以行駛100或150英里的電車完全不同。

      通常情況下,這些電車的續航可以達到500英里,甚至更多,所以充電10分鐘行駛100英里,只能算是沖到25%,這種全新的技術,直接將目前的充電水平提高三倍。

      02

      王朝陽是誰?

      王朝陽,華人科學家,公開資料顯示,1984年獲浙大熱物理工程學系(現能源系)內燃動力工程專業學士學位,1987年獲浙大熱物理工程學系(現能源系)工程熱物理專業碩士學位。

      如今,王朝陽是美國國家發明家科學院院士,賓夕法尼亞州立大學William E. Diefenderfer 講席教授,并且還兼任電池與儲能技術研究院院長,美國機械工程師學會(ASME)會士,電化學學會(ECS)電池分會執行委員等一大堆名譽頭銜。

      來源:2020中國電動汽車百人會論壇

      值得一提的是,他還曾經擔任北京冬奧會的新能源汽車專家顧問。

      種種頭銜的背后,其著作和技術專利自然少不了。

      王朝陽在Nature、Joule、 PNAS,、Science Advances以及 Nature Energy 等期刊上發表了220多篇學術論文,總計被引量超過34000多次,H-index指數為102。是湯森路透評選的工程學高被引科學家之一。同時,他還擁有80多項專利。

      他所帶領的團隊似乎就是一直在專攻電池的熱管理系統和電池快充技術,他們在2019年就提出一種名為速熱快充法的快充技術,可在10分鐘內,為電動汽車補充超過320公里的續航電量。

      而且在2021年初其帶領的研究小組還研究出了一種續航里程為250英里、能夠在10分鐘內快速充電的磷酸鐵鋰電池。這種電池不包含任何諸如鈷這類昂貴的重要材料,正極由非常大的石墨顆粒制成。

      也是使用了早先在其實驗室中開發的自加熱方法——自熱電池使用薄鎳箔,一端連接到負極,另一端延伸到電池外部以形成第三極,通過加熱時會產生大量能量。

      這和現在的十分鐘快充技術有些異曲同工,都是通過溫度控制來發揮電池的最大性能。

      現在看來,這項技術的研發更像是在原先速充技術的基礎上做出的突破。

      來源:PennState Collage of Engineering

      不過10分鐘充電75%的技術,除了技術主導人王朝陽之外,其參與研發的人還有賓夕法尼亞州立大學的 Teng Liu, Xiao-Guang Yang, Shanhai Ge 和 Yongjun Leng,以及EC Power公司的一些研發人員。

      03

      商業化前景如何?

      在燃油車向電動車轉型過程中,電池方面有兩大問題需要解決。

      一是現在電車充電過于緩慢,有些電動汽車需要一整天的時間來充電,而不是在加油站花幾分鐘。

      二是為了在當前鋰價飛速上漲的背景下,追求能量密度,通過裝配大容量電池,并不是降低里程焦慮的有效方法。而且電池的體積越大,自燃風險也就越高。

      正如論文的標題所寫的那樣”Battery tech breakthrough paves way for mass adoption of affordable electric car“,其大意是電機技術的上的突破,是為人們開上價格合理的電車鋪平道路。

      王朝陽曾說,這次研究的合作伙伴EC Power,正在致力于制造和商業化這種快速充電電池,以實現未來汽車電動化的負擔得起和可持續發展。

      EC Power 公司是該大學衍生的動力電池初創企業,據賓夕法尼亞州立大學稱,EC Power公司目前正試圖生產和銷售這種新電池,1-2年內即可實現大規模量產。

      那么這項技術對于汽車行業來說有多大的影響呢?

      我們可以做個簡單的對比,無論是特斯拉還是小鵬,都在發力超快充技術。

      目前特斯拉V4超充站的充電功率將達到350kW,充電15分鐘可以行駛300公里,30-40分鐘可以充90%,這個水平在新能源車陣營中已經非常優秀了。

      而小鵬汽車推出S4超快充首樁,最大輸出功率達480kW,單樁最大輸出電流達670A,這套系統在5分鐘可以為汽車補能200公里。

      按照官方的說法,4C車型充電10%-80%僅需不到15分鐘,這也被稱作是全球充電最快的量產電動車。而3C車型同樣搭載了800V高壓平臺,峰值充電功率300kW左右,可以充電5分鐘,續航增加130公里,充電10%-80%為20分鐘。

      顯然,對比特斯拉和小鵬汽車,王朝陽教授發明的快充技術,性能更加優秀,而且在投入產出比方面,也會更高。

      其它車企,比如廣汽埃安、比亞迪(行情002594,診股)等企業都在研發快充技術,不過在充電速度方面,都很難和10分鐘充滿75%比肩。

      而且這種技術,僅通過快速充電,就可以讓電池循環行駛50萬英里。研發團隊表示,新的電池技術為更便宜、更小、能量密集的電池組打開了一扇門,“這種電池組將大幅降低電池成本,并減少鈷、石墨和鋰等關鍵原材料的使用,使價格實惠的電動汽車得以大規模普及?!?

      關鍵詞: 快速充電 電動汽車 賓夕法尼亞州立大學

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