美國賓州州立大學(xué)王朝陽教授團(tuán)隊(duì)在鋰離子電池快速充電領(lǐng)域取得重大突破。該團(tuán)隊(duì)通過一種新型的電池結(jié)構(gòu)和充電策略，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力電池在任何溫度下的快速充電。即使在零下50度的極端環(huán)境中，該技術(shù)依然能夠?qū)崿F(xiàn)15分鐘快充，并具有超過4500次的超長(zhǎng)循環(huán)壽命。該技術(shù)為電動(dòng)汽車快充確立了新的行業(yè)標(biāo)桿，相關(guān)成果于近日發(fā)表在美國科學(xué)院院刊《Proceedings of the National Academy ofSciences》(PNAS)上。PNAS是與自然(Nature)、科學(xué)(Science)齊名，被引用次數(shù)最多的綜合學(xué)科期刊之一，已有百年歷史。

快充是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車普及的最重要手段。目前全球各國都在大力推進(jìn)高功率快充電站的建設(shè)，預(yù)計(jì)至2025年全球電動(dòng)汽車快充市場(chǎng)規(guī)模將超過3000億人民幣。然而，當(dāng)前所有電動(dòng)汽車的實(shí)際充電速度都極大地受制于環(huán)境溫度。王朝陽教授團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了一種新型的電池結(jié)構(gòu)和充電策略。該電池包含一個(gè)輕巧、成本低廉的內(nèi)部加熱結(jié)構(gòu)，并通過開關(guān)智能地控制充電電流的流向。當(dāng)電池溫度低于室溫時(shí)，所有電流自動(dòng)流入內(nèi)部加熱結(jié)構(gòu)，使電池迅速升溫，溫升速率高達(dá)1度每秒。當(dāng)電池加熱到高于室溫后，將自動(dòng)切換至充電模式，充電過程中電池溫度始終高于室溫，從而有效地消除了析鋰，實(shí)現(xiàn)了全氣候快充。在PNAS論文中，該團(tuán)隊(duì)采用10安時(shí)動(dòng)力電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在零下50度仍然能在15分鐘內(nèi)充入80%的電量。在0度條件下進(jìn)行快充壽命實(shí)驗(yàn)，電池在4500個(gè)快充循環(huán)后仍然保持80%的容量，即使電池每天一充，仍將擁有超過12年的壽命。將循環(huán)實(shí)驗(yàn)的總放電容量換算成續(xù)航里程，相當(dāng)于50萬公里，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了目前燃油車的壽命。

王朝陽教授表示，“全氣候快充同時(shí)解決了電動(dòng)汽車的四大焦慮，即續(xù)航里程焦慮、充電時(shí)間焦慮、成本焦慮和安全焦慮”。目前，該技術(shù)已得到了美國能源部的認(rèn)可和商業(yè)化資助。不久該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)披露10分鐘快充數(shù)據(jù)。

圖1. 實(shí)現(xiàn)不受溫度影響的快速充電基本思路。A) 美國各個(gè)州的冬季平均氣溫;B) 現(xiàn)有文獻(xiàn)中，不同溫度下循環(huán)壽命的相關(guān)數(shù)據(jù)(以25 oC進(jìn)行歸一化處理);C-E) 用于無鋰沉積電池的快速充電可控單元結(jié)構(gòu)的原理示意圖。

圖2 快速充電自加熱電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

Xiao-Guang Yang, Guangsheng Zhang, ShanhaiGe and Chao-Yang Wang, Fast Charging of Lithium-ion Batteries at All Temperatures, PNAS, DOI:10.1073/pnas.1807115115