锂离子电池电动汽车充电10分钟完成

诸平

Figure 1Asymmetric Temperature Modulation Method

Fig. 2 

据细胞出版社(Cell Press) 2019年10月30日提供的消息，王朝阳研究小组(Chao-Yang Wang Group)发明的快速充电电池（见图3），为电动汽车充电在10 min内即可完成。

Fig. 3 A fast charging battery invented by Chao-Yang Wang Group. Credit: Chao-Yang Wang Group

科学家开发了一种锂离子电池，该电池可在高温下充电以提高反应速率，但在放电过程中仍可保持电池凉爽，显示出在10 min内可以为电动汽车增加200英里的续驶里程的电力。如果按比例缩放，该设计是一种缓解全电动汽车缺乏足够巡航距离，以安全到达目的地而又不会使旅途中途停滞的潜在策略。美国宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）王朝阳小组的研究人员2019年10月30日在《焦耳》（Joule）杂志上发表了这项研究成果——Xiao-Guang Yang, Teng Liu, Yue Gao, Shanhai Ge, Yongjun Leng, Donghai Wang, Chao-Yang Wang. Asymmetric Temperature Modulation for Extreme Fast Charging of Lithium-Ion Batteries. Joule, https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30481-7.  DOI: 10.1016/j.joule.2019.09.021. PIIS2542435119304817.pdf

科学家已经认识到,为了满足电动汽车长途运输的需求，需要设计能够快速充电的电动汽车电池。然而，如此快速的充电速率将要求电池迅速吸收400千瓦的能量，这是当前电动车辆无法完成的壮举，因为它冒着锂电镀的风险即在阳极周围形成金属锂的危险，这不仅仅将严重降低电池寿命，更为重要的是随时都有发生爆炸的可能。

当常规锂电池在相同温度下充电和放电时，研究人员发现，通过将电池充电至60 ℃的高温几分钟，然后在较低的温度下放电，即可避免锂电镀问题。

宾夕法尼亚州立大学机械工程师王超阳（Chao-Yang Wang音译）说：“除了快速充电外，这种设计还使我们能够将电池的暴露时间限制在升高的充电温度下，从而产生了非常长的循环寿命。” “关键是要实现快速加热；否则，电池将在高温下停留太长时间，从而导致严重退化。”

为了缩短加热时间并在均匀的温度下加热整个电池，王朝阳及其同事配备了一种锂离子电池设计，该电池具有自加热镍结构，可在不到30 s的时间内预热。为了测试他们的模型，他们使用各种冷却策略为3个用于混合动力电动汽车的石墨袋式电池分别在40 ℃，49℃和60℃以及20℃的对照下进行充电，以维持恒定的充电温度。为了确认没有发生镀锂，他们随后将电池完全放电并打开进行分析。

王朝阳和研究小组的其他成员发现，预热到60℃的电池可以维持极快的充电过程达1700个循环，而对照电池只能保持60个循环。在49℃和60℃的平均充电温度下，该研究未观察到任何锂电镀。研究人员还观察到，升高的充电温度大大降低了将电池保持在初始温度所需的冷却-对照电池产生3.05瓦时，而60℃电池仅产生1.7瓦时。

王朝阳说：“过去，人们普遍认为锂离子电池应避免在高温下运行，因为担心会加速副反应。” “这项研究表明，在有限的暴露时间下，在高温下减轻锂电镀的好处远远超过了加剧的副反应带来的负面影响。”

研究人员指出，该技术是完全可推广的，因为所有电池均基于工业上可用的电极。他们已经证明了它在大规模电池，模块和电池组中的使用。镍箔使每个电池的成本增加了0.47％，但是由于该设计消除了当前型号所用外部加热器的需求，因此实际上降低了生产每个电池组的成本。王朝阳研究团队的未来计划是将他们的设计进一步发展。他说：“我们正在努力在5 min内为高能量的电动汽车电池充电，而不会对其造成损坏。” “除了我们发明的自热结构之外，这还需要高度稳定的电解质和活性材料。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Lithium ion battery design can charge an electric vehicle in 10 minutes

Self-heating, fast-charging battery makes electric vehicles climate-immune

SUMMARY

Adding a 200-mile range in 10 min, so-called extreme fast charging (XFC), is the key to mainstream adoption of battery electric vehicles (BEVs). Here, we present an asymmetric temperature modulation (ATM) method that, on one hand, charges a Li-ion cell at an elevated temperature of 60℃ to eliminate Li plating and, on the other, limits the exposure time at 60℃ to only 10 min per cycle, or 0.1% of the lifetime of a BEV, to prevent severe solid-electrolyte-interphase growth. The asymmetric temperature between charge and discharge opens a new path to enhance kinetics and transport during charging while still achieving long life. We show that a 9.5-Ah 170-Wh/kg cell sustained 1,700 XFC cycles (6 C charge to 80% state of charge) at 20% capacity loss with the ATM, compared to 60 cycles for a control cell, and that a 209-Wh/kg BEV cell retained 91.7% capacity after 2,500 XFC cycles.