Alex 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

电动汽车电池快充技术有了重要突破！

新能源汽车快充时代开拓者之一、宾夕法尼亚大学教授王朝阳及其团队研究出一种新方法，让电池充电速度“突飞猛进”：

给普通的电动车电池加薄薄一层镍片后，仅需10分钟左右，就能充电70%。

而且这种电池循环寿命高达2000次以上：

据研究团队估算，这相当于在每块电池的寿命之内，共计最多可以跑50万英里（约80万公里）。

（汽车一般跑60万公里就报废了）

要知道，虽然电动车势头正猛，但到目前为止，其充电效率仍让众多车主觉得“和理想相距甚远”：

市面上，现有的最先进的机汽车快充也需要45至60分钟的时间。

所以王朝阳团队的这个新成果，无疑让电动汽车向着真正的“理想快充”前进了一大步！

前几天，相关成果论文已登上了Nature。

IEEE综览（IEEE Spectrum）表示，用此技术配合快充桩，将是把动力电池小型化，并解决电池供应、原材料匮乏乏和新能源汽车成本问题的最有效手段之一。

那么这个研究团队是如何让电池充电速度飞升的？

11分钟，充电70%

在本研究展开前，王朝阳院士根据先前的成果指出：

电池在一个较高的温度范围内运行得最好，但也不能太热。

所以研究者要做的一件事情就是：把电池的温度控制在准确范围内。不过这也是个难点。

王朝阳说，在早期，他们团队一直通过笨重的外部加热、冷却系统来调节电池温度，这些系统反应缓慢，浪费了大量的能源。

而这次，他们主要从电池的内部入手，通过电池的内部材料来调节其温度。

他们选择了一种富镍层状氧化物（LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2，简称NMC811）来作电池的阳极。

这种材料具有高比容量和放电电压，以及成本相对较低的优点，所以成了开发新一代高能全固态锂电池“潜力股”。

但是，NMC811与固态电解质之间，存在严重的表面电化学、化学和电压不相容等问题。

为了改善这些问题，并提高充电速度，研究人员主要从3个角度做出调整:

他们采用了一种叫ATM的方法，并且把阳极的孔隙率调节到更大，还把电解质升级成了双盐电解质。

下面细说一下ATM。

这里的ATM可不是取款机，而是不对称温度调节法（Asymmetric temperature modulation）。

通过这种方法，一方面可以快速预热电池，然后使其在高温下快速充电，并利用热增强的电化学和传输过程来消除锂镀层。

锂镀层容易在快速充电过程中生成，具有许多负作用，比如造成电池容量迅速损失，甚至还有安全风险。

所以消灭它，就减少了许多负面影响。

另一方面 ，ATM法还有益于电池的长期稳定，或者说，有益于延长电池寿命。

具体而言就是，在锂离子电池工作过程中，阳极表面会形成一层薄薄的电解质还原产物SEI（固体电解质中间相），可防止电解质进一步分解，稳定电极和电解质之间的界限。

所以，SEI是电池稳定性和寿命的重要指标。

但受到电池使用过程中高温因素等的影响，SEI层会慢慢降解，导致电池容量损失。

而通过ATM法，电池只在预热和快速充电期间处于60℃左右的高温，其他时间温度迅速下降，从而减缓SEI的降解速度，延长电池寿命。

实验结果显示，如果锂电池以每秒4库伦的速度，每次都充到最大容量的75%，锂电池可以正常重复使用900多次（可以跑约40万公里）。

而如果按同样的速度充电，每次花11分钟左右充到70%，则可正常重复使用2000多次（可以跑约80万公里）。

在充到70%的情况下，汽车的续航里程可达400公里。

研究者在论文中写道，这个“充电11分钟，单次续航400公里，可重复2000多次”的结果，打破之前的所有纪录。

王朝阳：开启新能源汽车快充时代

再来说说这篇论文的一作，王朝阳院士。

1984年至1987年间，王朝阳先后获浙大热物理工程的本科和研究者学位，并在硕士期间师从我国著名传热学专家屠传经教授。

他现为美国国家发明家科学院院士，并任宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系讲席教授，研究领域包括燃料电池和二次电池等。

截至目前，王朝阳已经发表150余篇文章，拥有16项美国专利，并撰写过多部书籍和综述，在SCI被引用超4500次。

在世界燃料与能源领域，他是近十年来被引用次数最多的前20位作者之一。

另外，其实从2016年起，王和他的团队就已在锂离子电池内部添加了镍箔，以加热它们并帮助它们在冰冷的环境中表现得更好。

而前文提到的ATM法，是他们在2019年提出的。

随后，他们实现了当时的动力电池极速充电最好实验结果——210Wh/kg。

Wh/kg是电池质量能量密度单位，代表每千克电池器件可提供的能量。

从理论上讲，电池的质能密度越大，意味着其性能越好。

在新研究中，他们同样用镍箔来加热电动车电池并提高其性能，并再次取得进步：

现在的最新成果显示，这种极速充电电池的质能密度已经达到265Wh/kg。

目前，研究团队正在和EC Power公司商讨合作，预计在两年之内把这种电池产业化。

论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05281-0
参考链接：
https://spectrum.ieee.org/ev-battery-fast-charging