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磷酸铁锂电池重大突破!王朝阳院士《Nature Energy》:告别里程焦虑,充电十分钟,续航250公里!

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  除了成本,电动汽车里程焦虑症是限制电动汽车大规模普及的重要因素之一。所谓里程焦虑,是指人们在行驶过程中担心电动汽车的电量不足,不足以将其带到充电桩充电或者目的地。

  目前,有望解决里程焦虑症的有效方案是锂电快充技术,提高电动汽车的续航能力。在这方面,特斯拉取得了亮眼的业绩。2020年6月29日,特斯拉在官网发布了Model 3高性能全轮驱动版车辆的国标工况续航里程,续航里程测试结果为635km,百公里加速时间为3.4秒。操控性和空气动力学表现极佳,时速可达261公里/小时。最重要的是,充电 15 分钟即可补充最多约 250 公里的续航电量

  在技术层面上,虽然已经实现了锂电快充技术,但是这离不开高活性电极材料的保驾护航,随之而来的便是人们非常关注的安全性和成本问题。而消费者是否愿意为高成本和高风险买单,这似乎不言而明。

  因此,如何兼具低成本、安全性高、高能量密度和充电速度,成为了锂电池发展进程中的一个永恒主题。

  近日,美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳院士团队通过采用一种更为简捷、成本低廉的“热刺激”技术,攻克了锂电池快速充电和电池寿命难以兼得的关键问题。团队提出了热调控磷酸铁锂电池(TM-LFP battery) 的新型概念,研制出一种集低成本、安全性、快充且高续航里程于一身的高性能磷酸铁锂电池,有望解决新能源汽车发展的“里程焦虑”和“充电时间焦虑”难题。

  据悉,仅需充电10分钟,该磷酸铁锂电池即可续航约250公里,而且成本仅与传统的内燃机相当。值得一提的是,装载该电池的电动汽车可在3秒内加速到60公里/小时!相关研究成果以“Thermally modulated lithium iron phosphate batteries for mass-market electric vehicles”为题,发表在《Nature Energy》上!

  

  低成本、快充和电池寿命如何兼得?

  王朝阳院士表示,秘诀就在于团队前期研发的热刺激技术,也称自加热技术(self-heating technology)。

  在介绍该技术之前,先来看看锂电池快充技术的原理。简单来说,快充的实质就是增加锂离子的传递速率。普遍的做法是提高温度,从而加快锂离子移动速度,那么相应的充电速度就会提升。但是提高温度带来了新的问题,长时间高温充电会让电解液分解,缩短电池寿命。这就需要摸索出一个适当的温度参数和时间参数。

  

  图一:锂电快充原理示意图。高温下充电速度会加快,其中金色小球代表锂离子。(图源:宾夕法尼亚州立大学)

  在前期的研究中,王院士团队发现,如果电池能在充电前迅速加热到60℃,快充10分钟,然后迅速降温到环境温度,那么不仅不会形成电池的热衰减,还能避免严重的SEI膜增长。

  而王朝阳院士团队研发的自加热技术的关键就在于:在特定温度下快速充电。为了让电池能够在快充前迅速加热到指定温度,王朝阳团队在电池内部插入 50 微米厚度的镍箔,一端连接到负极,另一端延伸到电池外部以形成第三端。电流一旦流动,就会通过电阻加热镍箔,产生热量。一旦电池内部温度超过 60 ℃时,就会触动温度传感器并关闭镍箔电流,此时电池与准备好快速充电。而不工作时,电池的温度会快速冷却到环境温度。

  

  图2:自加热电池结构图

  热调控磷酸铁锂电池的性能卖点

  基于上述技术,王朝阳院士团队提出了热调控磷酸铁锂电池(TM-LFP battery)的概念,其核心在于:在电动汽车充电之前将电池快速加热至60℃左右进行快充,停止充电后电池会迅速冷却至环境温度。

  性能卖点一:10分钟快速充电,可续航约250公里,而且不会出现所谓的析锂现象。如图3所示,磷酸铁锂电池在室温下最快可实现20分钟 (3C)充电,而在低温(0℃)下,只能实现80分钟(0.7C)充电。相反,如果在充电之前先将电池加热至60℃,磷酸铁锂电池在6C的倍率下充电也没有观察到析锂现象,而且充电时间可降至10分钟以内。这也意味着,只要加热速度足够快,热调控电池在任何环境温度下都可以实现10分钟快速充电。

  

  图3:磷酸铁锂电池在不同环境温度下最大充电速率。

  性能卖点二:全气候电池,实现250公里的高续航能力,百公里加速时间仅需3秒以内。基于团队前期的自加热电池结构,热调控电池每升温10℃大概消耗1.35%SOC,这意味着从-20℃加热至60℃需要消耗10.8% SOC。也就是说,即使在-20℃环境中热调控磷酸铁锂电池加热后只剩余89.2% SOC,仍然可以提供大于250公里的续航里程(图4a)。此外,该电池在-20℃, 10%SOC下的功率密度仍然达到~1500W/kg(图4b)。更重要的是,所组装的40kWh的电池包能够实现大于300kW的峰值功率,这意味着百公里加速时间可维持在3秒以内,超越了特斯拉!

  

  图4:热调控电池能够实现全气候、高续航里程、高功率以及10分钟快充。

  性能卖点三:采用低活性,低比表面积的石墨作为负极材料,电池的寿命有望超过200万公里。

  最后,团队对比了传统三元电池、磷酸铁锂刀片电池、热调控磷酸铁锂电池的各项性能指标。如图5所示,热调控电池可同时满足电动汽车的多项需求,集低成本、高安全、高功率、快速充电、全气候、长寿命于一身,有望应用于未来面向大众市场的电动汽车中。

  

  图5:热调控磷酸铁锂电池、传统三元电池、磷酸铁锂刀片电池的性能指标雷达图。

  10分钟快充技术离产业化有多远?

  团队表示,该技术基本上是能直接产业化的,原因在于:一,实验采用了工业界标准的电池;二,技术通过了第三方、美国阿贡国家实验室测试。

  此外,据了解王朝阳院士另一项重大技术突破“全气候”电池,已经实现商业化,且这一成果即将用于 2022 年北京冬奥会。

  王朝阳院士简介

  

  王朝阳,美国国家发明家科学院院士,国际知名的动力电池、储能与燃料电池技术科学家,浙江大学校友(1984年获浙大热物理工程学系(现能源工程学院)学士学位;1987年获硕士学位(师从屠传经教授),现为美国宾夕法尼亚州立大学William E. Diefenderfer 讲席教授、电池与储能技术研究院院长,美国机械工程师学会(ASME)会士,电化学学会(ECS)电池分会执行委员,联合国发展计划署高级技术顾问,北京科技冬奥新能源汽车专家组专家等。曾获美国科学基金会生涯奖,中国国家自然科学基金委海外杰出青年,美国宾州工程学会卓越研究奖。

  王院士在锂离子电池和燃料电池技术方面有25年的研究经验,在Nature,Joule, PNAS, Science Advances等期刊上发表了220多篇学术论文,总计被引量超过30000多次,H-index指数为98,是汤森路透评选的工程学高被引科学家之一。同时,他还拥有80多项专利,并出版了两本专著。

  参考文献:

  Yang, XG., Liu, T. & Wang, CY. Thermally modulated lithium iron phosphate batteries for mass-market electric vehicles. Nat Energy (2021). https://doi.org/10.1038/s41560-020-00757-7

  来源:高分子科学前沿

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