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在电动汽车越来越「热」的当下，电池的材料也越来越多样化。电动汽车的电池材料有不同的选择，例如固态锂电池。上个月，哈佛大学自主研发了一种新型固态锂电池，仅需 3 分钟就可以充满电，使用寿命更是能够超过 10000 次。
今天介绍的是另一种特殊的材料——镍箔，通过在电池内部加入一层薄薄的镍，标准电动汽车电池可以在 10 分钟左右充满大部分电量。这可以为配备多个昂贵电池组的电动汽车提供一种更经济的替代品。举个例子，在传统远程电动汽车的旅行时，电池容量 120 千瓦时且需要一个小时充满电的电池组可以替换为电池容量 60 千瓦时且仅充电 10 分钟的电池组，二者的续航里程保持非常接近。这是一项重大突破，它由宾夕法尼亚州立大学材料与工程学杰出教授王朝阳（Chao-Yang Wang）等多位研究人员完成的，并发表在了 10 月 12 日的 Nature 上。王朝阳教授是燃料电池和二次电池领域的专家学者，并于 2019 年 12 月当选为美国国家发明家科学院院士。研究人员对充满电后续航里程约为 560 公里的锂离子电池进行了实验，其中该电池的能量密度为 265 瓦时 / 公斤。通过在它的内部添加超薄镍箔，11 分钟可以充电至 70%，行驶里程约 400 公里；12 分钟可以充电至 75%，行驶里程约 440 公里。其实，早在 2016 年，王朝阳及其同事就开始在锂离子电池内部添加镍箔来加热，帮助电池在严寒环境中有更好的续航表现。在新研究中，他们同样使用镍箔来加热电池并提升了性能，这也是他们在 2021 年为电动飞行汽车 eVTOL 采取的电池策略。
电池在运行时需要热起来但却不能太热，因此将电池保持在适宜的温度一直是电池工程师面临的一大挑战。过去依靠外部笨重的热冷系统来调节电池温度，但会导致反应缓慢并耗能很大。因此，在电池内部加入镍箔来调节温度成为另一种选择。王朝阳表示，「我们需要一种简单的方式让电池快速升温——在一分钟内。而在早期的自热电池中，我们碰巧发明了一种内部加热箔。」总之，他们发现只需要调整电池材料，就能保证锂离子电池在高温下保持非常稳定和安全。对于电动汽车而言，当充电至 75% 时，电池可以持续使用超过 900 次循环，续航里程约为 402,000 公里；当充电至 70% 时，电池可以持续使用约 2,000 次循环，续航里程约 804,000 公里。其中每次充电都是快速充电。专为电动汽车开发的 10 分钟快速充电电池，顶部的黑匣子包含一个控制模块的电池管理系统。
研究人员表示，这项工作与当前声称充电 10 分钟后可以行驶 100 或 150 英里的电动汽车完全不同，因为这些汽车通常具有 600 英里的连续行驶里程，因此行驶 150 英里基本上只相当于充电到 25%。这项工作则将当前的充电水平提高了三倍。
目前，王朝阳实验室正与美国初创公司 EC Power 合作开发这项电池技术，后者致力于快速充电电池的制造和商业化。未来，研究人员希望在 5 分钟内将超高能量密度电池充电至 80%。他们已经为这一愿景打下了科学基础，之后的工作就是微调更稳定的材料和热调制策略。
王朝阳
想要电池快速充电必须同时满足三个评估指标：（1）充电时间（2）获得的比能（3）快速充电条件下的循环次数。缺少这三个指标中的任何一个都是不充分的或具有误导性的。如下图为快速充电电池的示意图。在这个示意图中，汽车可接受区域包括左上角的矩形区域，由美国能源部规定的 15 分钟内获得的 150 Wh kg^−1 最小能量定义。理想的充电目标是获得 240 Wh kg^−1 的能量（例如，在充电 5 分钟后，将 300 Wh kg^−1 电池充电到 80% 的充电状态（SOC，state of charge）），且每次充电都是快速充电，循环寿命超过 2000 次。图 1a 为文献数据，其中电池循环寿命大于 800，满足汽车循环寿命的最小要求；图1b 显示了循环寿命低于 800 的电池，这个数字是用户不能接受的。为了实现 15 分钟获得 240 Wh kg^-1 比能和超过 800 次循环的目标，本文选择了面积容量为 3.4 mAh cm^-2 的 LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O_2 (NMC811) 作为阴极。通过将 ATM （asymmetric temperature modulation）方法与双盐电解质和更大孔隙率的阳极相结合，来改善离子传输，因而本文展示了一种适用于汽车的解决方案。
当充电为 4C（C 代表放电倍率）至 75% SOC(荷电状态，约 25 万英里) 时，锂电池可以循环超过 900 次，而当上部荷电 SOC 降低至 70%(约 50 万英里) 时，锂电池循环约为 2000 次。在这项工作中，本文使用能量密度更高的 NMC811 阴极材料电池。下图 2 为 ATM 方法下的高比能锂离子电池容量衰减曲线。下图表明，仅使用 ATM 无法实现不镀锂的高能电池的 15 分钟 / 4C 快速充电；电解质的传输性质需要进一步加强。
本文使用 LiPF_6-LiFSI 双盐电解质和更高的阳极孔隙率来改进离子传输。与 LiPF_6 相比，LiFSI 不但具有相似的离子电导率和更高的迁移数，更重要的是，它的热稳定性更好。为了利用 LiPF_6-LiFSI 的这些特性，本文改用双盐电解质，其中 1M LiPF_6 被 0.6M LiFSI 和 0.6 M LiPF_6 取代。在 6C 放电条件下，相对于基线电解质，相对容量从 70% 增加到 90%。此外，LiFSI 更好的热稳定性可实现更高的充电温度和更快的充电速度。下图为 LiBs 的快速充电与增强离子传输示意图：a 为 ATM 循环内的电压和温度分布。b 为快速充电下的容量保持。c 为快速充电后获得的比能。最后，基于上述改进，本文评估了 ATM 策略在电池组水平上对电池冷却和安全性的影响。模拟发现电池在 C/3 放电后需要 11.6 分钟才能冷却到 40 °C 以下（图4c），在单个电池测试中观察到大约需要 8 分钟（图3a），假如在进行一些优化，这个时间可以减少到大约 5 分钟。这些数值结果证明了支持 ATM 的电池组实现安全 4C 充电的可行性。
参考链接：https://spectrum.ieee.org/ev-battery-fast-charging论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05281-0
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