活動現場，賓夕法尼亞大學講席教授、美國國家發明家科學院院士王朝陽發表了演講。

 

 

我還是按照慣例講中文，但是我的PPT是英文，希望能夠照顧到國內外的朋友。首先，感謝歐陽教授還有組委會邀請我來參加這個會議，我去年來過一次，這個會很重要，我自己覺得很重要，對我了解國內動力電池的研發起著很大的作用，所以特別感謝。

 

我今天要分享的是怎么利用速熱辦法達到動力電池的極速快充，具體的是10分鐘快充的工作。快充應該是電動汽車的必然趨勢，也是電動汽車真正普及化的一個必要條件，在美國去年年底之前應該有2000多個快充樁建立起來，這些都是350kW的DC直流快充樁，350KW用在60 kWh的電池包應該可以達到10分鐘或者6個倍率的快充速度，所以是很好的基礎設施。大家可能也都知道，特斯拉新的版本V3它的快充功率是240kW，在國內也已經有了，這樣快充樁的基礎設施應該是慢慢普遍起來。在歐洲也是幾個車企的聯名，已經在各大高速公路上面建立快充的網絡，所以基礎設施應該有。下面的問題是我們的動力電池能抽受這么大功率的快充嗎，這是我今天和大家分享的問題。

 

不但要進行大功率的快充，而且要在任何溫度下面都能夠進行10分鐘的快充，這個難度更大了。大家都知道動力電池充電的能力和溫度是極其相關。這是美國的地圖，一年的平均溫度，美國25州是低于0℃，47個州是接近10℃，所以低溫快充非常必要。右邊的表格是充電的表格，在常溫25℃的時候，可能能達到30分鐘快充，但是一旦溫度在0度的時候，充電的時間要大大延長，要90分鐘以上，所以快充的能力和電池的溫度非常相關。快充最重要科學上的挑戰就是析鋰，假如說材料的特性和傳遞的能力趕不上，把這么大的鋰離子切入到石墨顆粒當中就會出現鋰離子表面沉積，形成析鋰，析鋰是一個很危險的東西，降低壽命。析鋰是取決于最重要的兩個因素，一個是充電的速率，另外一個是溫度，這兩個是相互的關系。

 

這里我們看一下，文獻當中充電的壽命和溫度是什么關系。所有的實踐都是在1個小時充放電的標準條件下，假如說25度常溫，我們壽命定義成1，到了10度，非常普通的時候，壽命只有50%了，你要是到了北京的冬天，到了負20度的話，壽命是小于1/10，電池的壽命和溫度是有極大的關系。當然，做動力電池還有做電動汽車的，希望在溫區，從恒溫到常溫都能達到不影響壽命，所以目標是上面這根線。

 

怎么樣達到這個目標呢，我們發表了一個預熱快充法。假如說初始溫度負20℃，我們先迅速的預熱，30秒之內熱到常溫25℃，然后再接著快充，比如說3.5C，基本上是15分鐘快充，總共預熱加快充時間還是小于15分鐘，不影響電池的壽命。整個想法關鍵的一步就是有一個快速預熱的結構，非常幸運的是，四年前我們已經發明了這個結構，右下角的電路上可以看到，動力電池與充電樁鏈接的時候，充電的電流一旦開關閉合，充電電流首先要通過鎳鉑進行純粹的加熱，沒有任何電化學反應，把溫度提高到合適快充的時候，再把開關打開，同樣的電流來充電電池材料，所以這是很簡單的，就是開和關一鍵的動作，就可以達到加熱快充，加熱速度非常快，每分鐘60kWh，還可以更快，100 kWh，120 kWh。

 

有了這個結構以后，可以對電池在任何溫度上進行快充，這里是3.5C進行快充，0℃需要30秒鐘加熱到25℃，-50℃需要69秒鐘加熱到25℃，再進行15分鐘快充，總共加熱時間加上充電時間基本上是在15分鐘，幾乎不影響，就是說可以在-50℃，當電池電化學已經停止工作情況下也可以進行快充，甚至也可以做-100℃可以快充，只不過時間再多1分鐘而已。它的溫度曲線，電壓的曲線大家都可以看到，這個結果是去年發在美國科學院會刊上面。

 

有了預熱再快充，大大延長壽命，假如說在0℃直接快充，用3.5C快充，大概循環只有60次的樣子，但是假如說你預熱以后再用3.5C快充它有4500次，4500次什么概念，即使是一天一次，都有12年的壽命。所以它不影響充電的時間，因為預熱時間很短。

 

這是15分鐘的快充，是我們前年發表的成果，我們現在怎么樣取得10分鐘快充，難度挑戰更大了，因為它需要6C充電。這個時候你會發現加熱到常溫已經是不足夠進行6C快充，6C假如說在常溫下面循環大概只有60次的樣子。所以在常溫下面，6C還是承受不了。

 

我們怎么想辦法解決這個問題呢，還是回到基本的鋰離子運動的基本過程，三個過程，一個是離子從電解液過來，另外一個是在石墨表面上嵌入反應，第三個是在石墨顆粒當中怎么擴散，這三個過程它的速率取決于你能不能做快充。很簡單，我們不是光加熱到常溫，而是加熱到60℃，原來起始溫度是常溫的，我從20℃到60℃，可以把電解液導電增加一倍，相當于我發明了一個新型的電解液，導電率增加了一倍的電解液，然后可以在石墨顆粒當中，鋰離子擴散系數增加6倍，相當于發明了新型的石墨，快速擴散。還有，就是把石墨表面的電化學反應增加12倍，一個熱溫度效應可以達到相當于三個材料方面改進的作用，效果非常明顯。

 

有了這些以后，我們可以進行快充，沒有析鋰的快充。但是我們在做之前，很多都會想，加熱到60℃是有風險的，我們知道鋰離子電池在高溫下面會衰減，確實在常溫下有2000多循環，40℃1500個循環，20℃只有二三百個循環，我們怎么樣抑制這個增長呢，很簡單，用一個巧妙的辦法，就是控制電芯呆在60℃的時間，我們發明了一個方法ATM（Asymmetric Temperature Modulation），非對稱溫度調制，具體的意思是說電池在使用過程當中，無論是放電還是回家慢慢充電，都是在常溫下面進行，但是假如需要快充的時候，我能夠瞬間的，非常快的，把電池溫度增加到60℃，然后進行無析鋰的快充，在60℃改善性能，沒有析鋰。快充完了以后，我又可以快速的把電芯從60℃冷卻到40℃，這樣的話呆在60℃的時間極短。大部分時間是在常溫工作，普通的標準電池活性，可以行駛，也可以在家里慢慢充電，但是一旦有需要到快充站進行快充之前，我們會很快在1分鐘內或者30秒內進行熱刺激，把你的電池活性提高好幾倍，然后就可以進行無析鋰的快充，10分鐘之后冷卻下來，該干啥干啥。所以，在整個壽命周期呆在60℃的時間是極短，我們可以進行估算，假設這個電池有1000次快充的壽命，每次快充假設是10分鐘，算起來有7天的時間，而1000次的快充可以產生20萬英里的里程，或者說約30萬公里，相當于12年的時間，呆在60℃的時間相對整個壽命周期只有0.2%，衰減幾乎很少，呆在60℃，無析鋰就下來了。

 

可以做很多分析，這是具體的測試數據，用這種快速辦法，10分鐘6C快充，上面的圖是電壓圖，下面是溫度圖，電壓在剛開始有充電電流加熱30秒，溫度從25℃到60℃，然后加熱停止以后，進行6C快充，在10分鐘不到的過程當中完成80%的SOC充電，溫度基本上保持在60到62度，溫升很小，用這種辦法，我一會講為什么。充電完了以后，你溫度下降也會很快，大概在15分鐘內，從60度降到40度，在40度內電池是相對安全的，不會有太多的衰減。所以總共呆在60℃附近的時間也很短，對電池壽命沒有什么太多的影響，所以訣竅就在這里，這樣保證了能夠無析鋰的快充，所以壽命有保證。同時用這種辦法可以對高能量密度的電芯進行快充。

 

這是一組數據說明另外一個重要的結果，用速熱快充法我們對冷卻的要求減少了13倍，也就是減少了一個數量級以上，用我們這個辦法，快充的熱管理是很容易的事情，很多人也很納悶，我們先看試驗數據，這組試驗數據都是在6C條件下進行，不同的條件就是初始的溫度，假如說初始溫度是常溫20℃，我需要開很大的風扇把電芯冷下來，然后電芯的溫升大概是10℃的樣子，但是一旦把充電溫度預熱到40度的時候，你會發現只要保持很微弱的風扇，就可以讓電芯在10分鐘快充期間溫升幾乎沒有。假如說在49℃，都不能保持這個風扇，要把風扇關了，自然對流才能保持沒有溫升，開著風扇溫度往下掉，在這種辦法下面，我們的挑戰是怎么保溫而不是怎么散熱，所以對散熱的要求是極低的，60℃的話，我要把電芯包起來進行大電流的快充，用絕熱材料包起來。

 

什么原因，用一個簡單的熱平衡可以計算出來，要想在10分鐘快充過程當中，溫升0的話，電芯的產熱必須被散熱平衡掉，這是產熱的一個方程式，假如說有一個絕好的熱管理系統，它能夠讓一個電芯在常溫20℃的時候進行快充又保持溫升是0，就必須平衡。同樣的熱管理系統，我要進行預熱快充的方法，在60℃快充，發生兩個變化，第一個變化，內阻減少了一倍，也就是說產熱只有1/2，有的時候產熱只有1/3，產熱就少了一大堆。第二，散熱能力在同樣的熱管理設計下面，散熱的能力增加了很多倍，它說60℃到20℃，相比從26℃到20℃，溫差大大增加。所以這個時候要保持溫升是0的話，要把熱管理的能力降低13倍，也就是說原來是水冷要改成風冷，風冷改成自然對流，傳熱面積還要減少，所以這些都是顛覆傳統的理念，覺得在大電流快充下面必須要增加熱管理，不是這樣的情況。所以對我們熱管理帶來了很大的便利，當然很多數據可以看，隨著充電溫度可以看到壽命是在往上漲，剛開始沒有加熱，一直到加熱到40℃，49℃，60℃，壽命一直是往上漲。

 

我們也做過很多表征，電芯循環完了以后做解剖試驗，可以看得出，在26℃進行6C快充有很多析鋰，60℃很少有析鋰，我們做過SEM，XPS等各種各樣的分析，在60℃快充可以看到石墨原來的形貌都保留在那。具體的數據很多，我們可以在文獻當中查得到。

 

另外一個，一旦消除析鋰，沒有析鋰以后，電池衰減在我們的電芯當中，電芯衰減只是由SEI控制，這個時候還有一個訣竅，我可以把石墨顆粒做的大一點，比表面積做的小一點。這是一個對比試驗，假如說把壽命和在時間的尺度當中畫出來，一個是在紅色的曲線，另外就是拿一個電池，直接在60℃里面循環，同樣也可以把壽命和時間尺度表達出來，就是藍色的曲線，你會發現它兩個幾乎是重合的，特別是在80%的衰減之前是重合的，說明主要衰減是時間的因素，所以是在時間尺度上這兩個是一模一樣的，但是在循環尺度上或者循環次數相差很大，比如說1C充放電一次循環，這個是2個小時，這個快充只有10分鐘，在循環次數上是保持很高的性能。

 

剛才已經提到過，因為我們知道在ATM的電池當中，它的主要衰減基理，可以把石墨比表面積做小，進一步改善它的壽命，藍的曲線就是以前的，在上面跟大家說的所有的標準的石墨，比表面積3.6，我們把它減少到1.5，衰減又進一步減少。放在循環，到2500次，10分鐘快充，它的衰減都沒有超過9%，這種都是有3000次的循環。相比DOE，美國能源部的500次，我們現在已經2500次，5倍。在這個方法當中，最關鍵一點就是預熱的速度，你不能呆在高溫時間太長，我們把壽命和充電的溫度劃成一塊，用加熱速度作為曲線的參數，就可以看到，比如說25℃沒有加熱，直接就在25℃常溫充電，我們把它的壽命定義為1，目前的外加熱速度基本上每分鐘0.5秒，我要熱到60℃充電，需要很長的時間，大概需要70分鐘的樣子，再加上10分鐘充電，總共時間是80分鐘，所以在60度衰減非常厲害，因為呆在60度時間很長。假如說把預熱的時間和充電的時間全加起來，這樣比較科學，這是我們總共的充電時間，垂直的坐標是壽命，把兩個放在一塊，你會發現，用目前的結構，外置的加熱是達不到快充的目的，快充的總共時間要短，壽命要長，它走的是相反的方向，預熱時間長，壽命短，而我們的FCB是在這個角落里完全符合快充的要求。所以預熱的時間或者預熱的速度是一個非常關鍵的參數。

 

最后一頁我給大家看一下這個獨立測試評估的報告，這是Argonne Natl Lab，我們把材料寄給它，它按照它的方法測試，它的測試結果跟我們沒有關系。右邊可以看到，做了500循環，DOE只做500循環，到了500循環就停掉了，我們的快充就是圓圈，跟標準的循環，它的壽命幾乎是沒有差別，也就是說6C的快充沒有引起多余或者額外的電池的損傷，非常接近，這個結果很好。更驚訝的是，看到左邊的照片，這是電芯放在絕熱材料里，包起來快充，進行大電流快充，6C就是60A，很少有人嘗試這個東西，但是有時候一旦突破傳統的理念你就會發現外面的景色非常美，非常簡單，反而變得更簡單，而且必須包起來，不包起來溫度會下降。即使在包起來的情況下面，大電流充電壽命還這么好。

 

所以很快總結一下。首先，這是速熱快充法，我想是相對比較簡單的一個方法。它對目前的電池，就是目前純電動的能量型的電池可以做到2500到3000次，沒有任何問題。這個方法能夠對電池的冷卻減少要求，也是減少成本，目前做的工作就是在循環，更高能量密度，比如280Wh/kg，更厚的電極，更致密的電極，應該是1000次也沒有問題，希望在不遠的將來和大家分享更多的結果。FCB技術已經被相當多的車企和制造商驗證過，包括我剛才說的Argonne Natl Lab驗證過。這個是美國有100年歷史的科普印刷品，他寫了一篇文章，用這個勉勵所有在座的科研人員，一些新的發現或新的研究，可以改變任何事情，這就是我們科研人員的初衷，希望我們的一些東西能改變任何事情。