在锂电池加入超薄的镍箔
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作者｜王磊
当几乎所有的电动车都能10分钟充满75%，还会存在里程焦虑吗？
眼下就有一种新型的充电技术，可以实现10分钟超级快充。
最近，来自美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳（Chao Yang Wang）教授联合多位研究人员，在锂离子电池快充技术上获得一项重大突破。
据他们描述，这种快速充电技术适用于大多数能量密集的电池，使电动汽车电池充电时间缩短到10分钟。即便将电动汽车电池从150千瓦时缩小到50千瓦时，司机也不会有里程焦虑。
来源：Nature
这项技术突破以“Fast charging of energy-dense lithium-ion batteries”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。
这种突破性的技术，更是得到了美国能源部、美国国防部、美国空军和威廉·迪芬德弗基金会的青睐。
01
在锂电池中加镍箔
目前提升电池快充能力的主流手段是电池材料改性，如提升电解液电导率、增加石墨材料比表面积等，这些都是在牺牲电池在正常工作条件下的寿命和安全性为代价，但这些手段大多都效果不佳。
而这项最新技术的核心，主要在于对电池内部的热量进行调节。
电池在运行时需要热起来但却不能太热，一直以来，电池的温度基本都是依赖外部附加的庞大的加热和冷却系统来控制，这种系统反应非常缓慢，还会浪费大量能源。
为此研究人员开发了一种新的电池结构，除了阳极、电解质和阴极外，还添加了超薄的镍箔作为第四种成分。
作为一种刺激物质，而镍箔可以自我调节电池的温度和反应性，这使得任何电动汽车电池都可以快速充电10分钟。
其实早在6年前，王朝阳及其同事就开始在锂离子电池中添加镍箔来加热，帮助电池在严寒环境中有更好的续航。
不过有个问题是，当前所有车用锂电池在高功率充电下都无法避免析锂现象的发生，这也极大缩短了电池寿命并可能造成安全隐患。
王朝阳及其团队为了应对这个问题，采用两种盐性（0.6 M LiFSI +0.6 M LiPF6）的电解液替换了传统的电解液体系（1M LiPF6）。
相比于单一的LiPF6溶液，LiFSI溶液有更高的锂离子迁移数（0.56 vs. 0.38），在同样的倍率下，LiFSI还可以降低电解液浓差极化，提高电极厚度方向嵌锂反应的均匀性，这样不仅提高了电解液的热稳定性，又极大降低了析锂风险。
来源：Nature
结合此前王朝阳团队先前研发的速热以及非对称温度热调控（Asymmetric Temperature Modulation, ATM）的方法（即充电前加热至高温（~60oC）快速充电，室温放电）。
可以实现了高能量密度锂离子电池（265 Wh/kg）的快速充电（10分钟充电~75% ），并能够稳定循环高达2000次以上，也创造了动力电池极速充电的世界记录。
而且这些创新首次揭示了高比能动力电池极速充电只需要空气冷却，大大提高了电池系统的集成度、可靠性和安全性。
研究人员表示，这项工作与目前声称充电 10 分钟后可以行驶100或150英里的电车完全不同。
通常情况下，这些电车的续航可以达到500英里，甚至更多，所以充电10分钟行驶100英里，只能算是冲到25%，这种全新的技术，直接将目前的充电水平提高三倍。
02
王朝阳是谁？
王朝阳，华人科学家，公开资料显示，1984年获浙大热物理工程学系（现能源系）内燃动力工程专业学士学位，1987年获浙大热物理工程学系（现能源系）工程热物理专业硕士学位。
如今，王朝阳是美国国家发明家科学院院士，宾夕法尼亚州立大学William E. Diefenderfer 讲席教授，并且还兼任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）电池分会执行委员等一大堆名誉头衔。
来源：2020中国电动汽车百人会论坛
值得一提的是，他还曾经担任北京冬奥会的新能源汽车专家顾问。
种种头衔的背后，其著作和技术专利自然少不了。
王朝阳在Nature、Joule、 PNAS,、Science Advances以及 Nature Energy 等期刊上发表了220多篇学术论文，总计被引量超过34000多次，H-index指数为102。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。
他所带领的团队似乎就是一直在专攻电池的热管理系统和电池快充技术，他们在2019年就提出一种名为速热快充法的快充技术，可在10分钟内，为电动汽车补充超过320公里的续航电量。
来源：Penns State University
而且在2021年初其带领的研究小组还研究出了一种续航里程为250英里、能够在10分钟内快速充电的磷酸铁锂电池。这种电池不包含任何诸如钴这类昂贵的重要材料，正极由非常大的石墨颗粒制成。
来源：Nature
也是使用了早先在其实验室中开发的自加热方法——自热电池使用薄镍箔，一端连接到负极，另一端延伸到电池外部以形成第三极，通过加热时会产生大量能量。
这和现在的十分钟快充技术有些异曲同工，都是通过温度控制来发挥电池的最大性能。
现在看来，这项技术的研发更像是在原先速充技术的基础上做出的突破。
来源：PennState Collage of Engineering
不过10分钟充电75%的技术，除了技术主导人王朝阳之外，其参与研发的人还有宾夕法尼亚州立大学的 Teng Liu, Xiao-Guang Yang, Shanhai Ge 和 Yongjun Leng，以及EC Power公司的一些研发人员。
03
商业化前景如何？
在燃油车向电动车转型过程中，电池方面有两大问题需要解决。
一是现在电车充电过于缓慢，有些电动汽车需要一整天的时间来充电，而不是在加油站花几分钟。
二是为了在当前锂价飞速上涨的背景下，追求能量密度，通过装配大容量电池，并不是降低里程焦虑的有效方法。而且电池的体积越大，自燃风险也就越高。
正如论文的标题所写的那样”Battery tech breakthrough paves way for mass adoption of affordable electric car“，其大意是电机技术的上的突破，是为人们开上价格合理的电车铺平道路。
王朝阳曾说，这次研究的合作伙伴EC Power，正在致力于制造和商业化这种快速充电电池，以实现未来汽车电动化的负担得起和可持续发展。
来源：EV GO
EC Power 公司是该大学衍生的动力电池初创企业，据宾夕法尼亚州立大学称，EC Power公司目前正试图生产和销售这种新电池，1-2年内即可实现大规模量产。
那么这项技术对于汽车行业来说有多大的影响呢？
我们可以做个简单的对比，无论是特斯拉还是小鹏，都在发力超快充技术。
目前特斯拉V4超充站的充电功率将达到350kW，充电15分钟可以行驶300公里，30-40分钟可以充90%，这个水平在新能源车阵营中已经非常优秀了。
而小鹏汽车推出S4超快充首桩，最大输出功率达480kW，单桩最大输出电流达670A，这套系统在5分钟可以为汽车补能200公里。
按照官方的说法，4C车型充电10%-80%仅需不到15分钟，这也被称作是全球充电最快的量产电动车。而3C车型同样搭载了800V高压平台，峰值充电功率300kW左右，可以充电5分钟，续航增加130公里，充电10%-80%为20分钟。
显然，对比特斯拉和小鹏汽车，王朝阳教授发明的快充技术，性能更加优秀，而且在投入产出比方面，也会更高。
来源：Business Jouranl
其它车企，比如广汽埃安、比亚迪等企业都在研发快充技术，不过在充电速度方面，都很难和10分钟充满75%比肩。
而且这种技术，仅通过快速充电，就可以让电池循环行驶50万英里。研发团队表示，新的电池技术为更便宜、更小、能量密集的电池组打开了一扇门，“这种电池组将大幅降低电池成本，并减少钴、石墨和锂等关键原材料的使用，使价格实惠的电动汽车得以大规模普及。”
