美國賓州州立大學王朝陽教授團隊在鋰離子電池快速充電領域取得重大突破。該團隊通過一種新型的電池結構和充電策略，實現了動力電池在任何溫度下的快速充電。即使在零下50度的極端環境中，該技術依然能夠實現15分鐘快充，並具有超過4500次的超長循環壽命。該技術為電動汽車快充確立了新的行業標杆，相關成果於近日發表在美國科學院院刊《Proceedings of the National Academy ofSciences》(PNAS)上。PNAS是與自然(Nature)、科學(Science)齊名，被引用次數最多的綜合學科期刊之一，已有百年曆史。
快充是實現電動汽車普及的最重要手段。目前全球各國都在大力推進高功率快充電站的建設，預計至2025年全球電動汽車快充市場規模將超過3000億人民幣。然而，當前所有電動汽車的實際充電速度都極大地受制於環境溫度。王朝陽教授團隊成功開發了一種新型的電池結構和充電策略。該電池包含一個輕巧、成本低廉的內部加熱結構，並通過開關智能地控制充電電流的流向。當電池溫度低於室溫時，所有電流自動流入內部加熱結構，使電池迅速升溫，溫升速率高達1度每秒。當電池加熱到高於室溫後，將自動切換至充電模式，充電過程中電池溫度始終高於室溫，從而有效地消除了析鋰，實現了全氣候快充。在PNAS論文中，該團隊採用10安時動力電池進行實驗，結果表明在零下50度仍然能在15分鐘內充入80%的電量。在0度條件下進行快充壽命實驗，電池在4500個快充循環後仍然保持80%的容量，即使電池每天一充，仍將擁有超過12年的壽命。將循環實驗的總放電容量換算成續航里程，相當於50萬公里，已經遠遠超過了目前燃油車的壽命。
王朝陽教授表示，“全氣候快充同時解決了電動汽車的四大焦慮，即續航里程焦慮、充電時間焦慮、成本焦慮和安全焦慮”。目前，該技術已得到了美國能源部的認可和商業化資助。不久該團隊將繼續披露10分鐘快充數據。
圖1. 實現不受溫度影響的快速充電基本思路。A) 美國各個州的冬季平均氣溫;B) 現有文獻中，不同溫度下循環壽命的相關數據(以25 ºC進行歸一化處理);C-E) 用於無鋰沉積電池的快速充電可控單元結構的原理示意圖。
圖2 快速充電自加熱電池內部結構示意圖
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
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