美國賓州州立大學(xué)王朝陽教授團隊在鋰離子電池快速充電領(lǐng)域取得重大突破。該團隊通過一種新型的電池結(jié)構(gòu)和充電策略，實現(xiàn)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(huán)境中，該技術(shù)依然能夠?qū)崿F(xiàn)15分鐘快充，并具有超過4500次的超長循環(huán)壽命。該技術(shù)為電動汽車快充確立了新的行業(yè)標(biāo)桿，相關(guān)成果于近日發(fā)表在美國科學(xué)院院刊《Proceedings of the National Academy ofSciences》(PNAS)上。PNAS是與自然(Nature)、科學(xué)(Science)齊名，被引用次數(shù)最多的綜合學(xué)科期刊之一，已有百年歷史。

快充是實現(xiàn)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(shè)，預(yù)計至2025年全球電動汽車快充市場規(guī)模將超過3000億人民幣。然而，當(dāng)前所有電動汽車的實際充電速度都極大地受制于環(huán)境溫度。王朝陽教授團隊成功開發(fā)了一種新型的電池結(jié)構(gòu)和充電策略。該電池包含一個輕巧、成本低廉的內(nèi)部加熱結(jié)構(gòu)，并通過開關(guān)智能地控制充電電流的流向。當(dāng)電池溫度低于室溫時，所有電流自動流入內(nèi)部加熱結(jié)構(gòu)，使電池迅速升溫，溫升速率高達1度每秒。當(dāng)電池加熱到高于室溫后，將自動切換至充電模式，充電過程中電池溫度始終高于室溫，從而有效地消除了析鋰，實現(xiàn)了全氣候快充。在PNAS論文中，該團隊采用10安時動力電池進行實驗，結(jié)果表明在零下50度仍然能在15分鐘內(nèi)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(huán)后仍然保持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(huán)實驗的總放電容量換算成續(xù)航里程，相當(dāng)于50萬公里，已經(jīng)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(xù)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(shù)已得到了美國能源部的認(rèn)可和商業(yè)化資助。不久該團隊將繼續(xù)披露10分鐘快充數(shù)據(jù)。

圖1. 實現(xiàn)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(xiàn)有文獻中，不同溫度下循環(huán)壽命的相關(guān)數(shù)據(jù)(以25 oC進行歸一化處理);C-E) 用于無鋰沉積電池的快速充電可控單元結(jié)構(gòu)的原理示意圖。

圖2 快速充電自加熱電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)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