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动力电池的快充技术

来源:安德普电源科技有限公司作者:高频智能充电机发布时间:2019-11-06 09:30

 

10分钟的充电可以使电动汽车充满80%的电量,电池寿命在300公里到400公里之间,并且经过2500次充放电,电池容量仅​​损失8.3%。这一结果远远超出了美国能源部的目标。相比之下,特斯拉的ModelS目前可在40分钟内将充电速度提高80%。这项神奇的结果由宾夕法尼亚州立大学王朝阳教授于10月30日在焦耳发表。在方法方面,他们并没有着眼于改善电池材料,而是采用了一种更简单,成本更低的热刺激技术来“拯救国家”,从而克服了锂电池快速充电和电池寿命的难题。关键问题也有望解决新能源汽车发展中的“里程焦虑”和“充电时间焦虑”问题。与大多数实验室研究不同,此结果最强大的方面是其高度成熟。王朝阳告诉DeepTech,热刺激快速充电技术在工业化之前基本上不需要改进,“它可以直接使用”。
 
高温下充电会增加,金球代表锂离子。 (来源:宾夕法尼亚州立大学)电池中的离子从正极流向负极,这是电池的充电过程。充电速度受离子移动的速度限制。如果温度升高,离子移动速度将增加,充电速度将相应增加。这是王朝阳团队研究的起点。但是,长期高温充电会分解电解质并缩短电池寿命。这需要探索适当的温度和时间参数。经过反复测试,王朝阳团队发现,如果在充电之前可以将电池快速加热至60摄氏度,充电10分钟,然后迅速冷却至环境温度,则不会形成电池的热衰减,并且可以避免严重的固体电解质界面。膜(SEI膜)生长,并且该膜是通过电极材料和电解质在固-液相界面处反应形成的钝化层。王朝阳说,这项技术的关键是在特定的高温下快速充电。具体来说,他们对40摄氏度,49摄氏度和60摄氏度的三块动力电池进行了恒温充电测试,并以20摄氏度为对照进行充电,然后拆卸电池以检查锂沉淀(锂)。离子在负极表面上的沉积)。结果发现,在60分钟的2500次充电,10分钟的超快充电(6C,4.2V)下,高能量密度的电池每公斤209瓦时(Wh / kg)仍具有91.7%的容量,仅为8.3容量损失的百分比,远远超过美国能源部(DOE)的“ 500次循环,容量损失20%”的目标,并且在充电过程中未发现锂。过去,人们普遍担心锂离子电池在高温下充电会加速副反应。王朝阳的研究表明,有限时间的高温充电会导致锂收率的下降,这远大于副反应的负损失。在高温下充电可减少锂的析出。电池的正极或负极具有海绵状的物理结构,可以释放或接收锂离子。由于充电期间的极化,锂离子沉积在负极表面上,并形成锂。锂在低温下的分析更为严格,因为锂离子的缓慢运动更可能沉积在负极表面上。换句话说,在较低温度下充电将进一步降低充电效率并增加安全风险。锂离子在高温充电期间高速移动,并且锂离子均匀地渗透。电池自发热图| “全天候”电池。 (来源:宾夕法尼亚州立大学)自热式电池结构图,阴极为阴极,阳极为阳极,电解质为电解质,金属箔为镍箔。 (来源:王朝阳)为了让电池在快速充电之前能够迅速加热到指定温度,王朝阳团队开发了“全天候”电池。他们将50微米厚的镍箔插入电池内部,以实现有效的自热。

电流在低温下导通并流过镍箔以产生热量。一旦电池的内部温度超过60摄氏度,就会激活温度传感器以关闭镍箔电流。电池可以在30秒内自动加热到60摄氏度,而不会在室温下损害电池的性能和寿命。该过程既不需要外部加热装置的帮助,也不需要向电解液中添加特殊的添加剂。王朝阳说,这种自热过程可以进一步改善,以减少自热时间。研究指出,这项研究可以促进大规模生产电池,镍箔的成本将增加0.47%和重量的1.3%,但是由于它削减了对外部加热器的电流需求,因此实际上降低了电池的成本包。由王朝阳创建的ECPower公司已将“全天候”电池商业化,这一成就将用于2022年北京冬季奥运会。 2022年冬季奥运会将大规模使用新能源汽车,但这些汽车将面临负20°C至负30°C的低温工作环境,然后电动汽车将面临电池充电速度,容量和生活也会被削弱。王朝阳与北京理工大学合作,将他发明的电池自热技术应用于新能源汽车动力电池。据报道,经过测试,新技术对电池的安全性能没有影响。电池系统的单位能量为170瓦特/千克,系统可靠性测试已完成5000多次充电和切割。它可以完全解决冬季电动汽车的续驶里程。存在许多问题,例如急剧下降,无法启动,衰减以及安全风险。王朝阳访谈:用快速,低成本的技术开发fastTech:热刺激能快速带给您独特的发现吗?您如何提出这种“更简单”的方法?王朝阳:热刺激是我们的独家发明。各种快速充电的本质是相同的,即提高锂离子的传输速率,但是我们采用物理加热的方法。我研究了25年的锂电池,并尝试了各种方法,包括改进材料,改进电解质,向电解质中添加各种添加剂以及改进石墨颗粒。目的是更快地传输锂离子。但是,这些改进存在很大的局限性,也就是说,一旦您增加了收益的某个方面,就会牺牲另一方的优势。例如,如果改善电解质,则电导率增加并且充电速度增加,但是同时电池变得更加危险,内部短路着火或爆炸的风险也相应增加。再例如,如果将石墨颗粒做得更小,则锂离子将移动得更快,但是这样的材料也将增加电池的风险。我们当前使用的热刺激是一种主动控制方法。它不必改变材料本身,其安全性能也不会改变。 10分钟的快速方法还避免了锂的沉积。通常,我们想找到这样一种简单的方法。方法越简单,技术越成熟,成本越低。 DeepTech:与您先前的研究相比,该新发表的研究有哪些改进?王朝阳:过去,我们只将电池温度加热到常温。这次我们打破了温度,将温度关闭到60摄氏度。室温下的充电速度太慢,因此我们将温度提高到60摄氏度,这可以大大提高离子的移动速度,以满足10分钟快速充电的需求。这里的挑战是如何避免高温下电池材料的老化。通过大量的实验和理论计算,我们发现高温下电池材料的老化与时间有关。只要将电池材料长时间暴露在高温下,就可以将电池的损坏降到最低,那么10分钟的快速充电就可以满足要求。条件。按照2500次,每次快速充电至少300公里,估计电池寿命约为750,000至100万公里。

DeepTech:快速充电后如何实现快速冷却?王朝阳:实际上,可以通过自然冷却来实现。如果环境温度为25摄氏度,则电池从60摄氏度降至25摄氏度的温度差为35摄氏度,这是电池充电温度为30摄氏度至25摄氏度时温度差的7倍。另外,与电池在60摄氏度时的内阻相比,在30摄氏度时的内阻高出三倍。通常,电池在60摄氏度时的散热率比30摄氏度时高很多倍。 DeepTech:10分钟快速充电技术离工业化还有多远?王朝阳:基本上可以直接使用。有两个原因。首先,我们的实验使用工业标准电池。其次,我们的技术已通过第三方(Argonne国家实验室)的测试。目前,我们已经轻松满足了美国能源部的“ 500个循环,容量损失20%”的要求。它的成熟度非常高,并且在需要工业化之前基本上没有改善。 DeepTech:美国充电桩准备好了吗?中国的情况如何?王朝阳:我们的快速充电可以适应特斯拉全新的240 kW充电站。实际上,该充电速率超过了他们45分钟的快速充电需求。此外,到今年年底,美国将建造2,000至2,500根快速填充桩,其充电功率为300 kW至350 kW。资金来自大众的“柴油门”罚款。在中国,特斯拉还准备建造一个240 kW的快速充电站。一些中国领先的电池制造商正在关注我们的技术,因为该技术相对简单且成熟,我想它将很快出现在中国市场中。 DeepTech:您的“全天候”电池如何为2022年冬季奥运会做出贡献?王朝阳:我们已经做了一个为期两年的冬季团队实验。 2018年3月,在内蒙古进行了第一轮冬季测试。这些实验必须一直进行到最冷的冬天,因此在那个时候,它应该处理零下40度的低温。第二轮比赛于今年1月在内蒙古海拉尔非常成功。在国外,我们的全气候电池技术已获得BMW和其他汽车公司的许可。 DeepTech:您的技术会在智能手机上使用吗?王朝阳:原则上也可以使用手机。但是在这里,我们需要在技术和更多的安全测试上更加成熟。毕竟,人们更加关注智能手机的电池安全性。 DeepTech:我听说您的下一个目标是充电5分钟。王朝阳:5分钟快充是我们的最终目标。为什么要5分钟?因为如果您能在5分钟内为电充电,它将为业主提供一个接近加油站的机会。当然,充电5分钟有很多挑战。这就像加速汽车的100米行驶。从4秒到3.8秒的0.2秒提升是一个巨大的进步。王朝阳简介(来源:宾夕法尼亚州立大学)王朝阳,宾夕法尼亚州立大学机械工程系主任,机械工程,化学工程和材料科学与工程系的著名教授。他是宾夕法尼亚州电化学发动机中心(ECEC)和电池与储能技术(BEST)中心的创始董事。研究工作包括电池,燃料电池的运输,材料制造和建模。王朝阳拥有50多项专利(美国,中国,欧盟和日本)。他最近对全气候电池(ACB)技术的研究发表在《自然》杂志上,后来被2022年冬季奥运会选中为奥运会电动车提供动力。

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