除了成本，電動汽車里程焦慮癥是限制電動汽車大規模普及的重要因素之一。所謂里程焦慮，是指人們在行駛過程中擔心電動汽車的電量不足，不足以將其帶到充電樁充電或者目的地。

 

目前，有望解決里程焦慮癥的有效方案是鋰電快充技術，提高電動汽車的續航能力。在這方面，特斯拉取得了亮眼的業績。2020年6月29日，特斯拉在官網發布了Model 3高性能全輪驅動版車輛的國標工況續航里程，續航里程測試結果為635km，百公里加速時間為3.4秒。操控性和空氣動力學表現極佳，時速可達261公里/小時。最重要的是，充電 15 分鐘即可補充最多約 250 公里的續航電量。

 

在技術層面上，雖然已經實現了鋰電快充技術，但是這離不開高活性電極材料的保駕護航，隨之而來的便是人們非常關注的安全性和成本問題。而消費者是否愿意為高成本和高風險買單，這似乎不言而明。

 

因此，如何兼具低成本、安全性高、高能量密度和充電速度，成為了鋰電池發展進程中的一個永恒主題。

 

近日，美國賓夕法尼亞州立大學王朝陽院士團隊通過采用一種更為簡捷、成本低廉的“熱刺激”技術，攻克了鋰電池快速充電和電池壽命難以兼得的關鍵問題。團隊提出了熱調控磷酸鐵鋰電池(TM-LFP battery) 的新型概念，研制出一種集低成本、安全性、快充且高續航里程于一身的高性能磷酸鐵鋰電池，有望解決新能源汽車發展的“里程焦慮”和“充電時間焦慮”難題。

 

據悉，僅需充電10分鐘，該磷酸鐵鋰電池即可續航約250公里，而且成本僅與傳統的內燃機相當。值得一提的是，裝載該電池的電動汽車可在3秒內加速到60公里/小時！相關研究成果以“Thermally modulated lithium iron phosphate batteries for mass-market electric vehicles”為題，發表在《Nature Energy》上！

 

 

 

 

低成本、快充和電池壽命如何兼得？

 

王朝陽院士表示，秘訣就在于團隊前期研發的熱刺激技術，也稱自加熱技術（self-heating technology）。

 

在介紹該技術之前，先來看看鋰電池快充技術的原理。簡單來說，快充的實質就是增加鋰離子的傳遞速率。普遍的做法是提高溫度，從而加快鋰離子移動速度，那么相應的充電速度就會提升。但是提高溫度帶來了新的問題，長時間高溫充電會讓電解液分解，縮短電池壽命。這就需要摸索出一個適當的溫度參數和時間參數。

 

 

圖一：鋰電快充原理示意圖。高溫下充電速度會加快，其中金色小球代表鋰離子。（圖源：賓夕法尼亞州立大學）

 

在前期的研究中，王院士團隊發現，如果電池能在充電前迅速加熱到60℃，快充10分鐘，然后迅速降溫到環境溫度，那么不僅不會形成電池的熱衰減，還能避免嚴重的SEI膜增長。

 

而王朝陽院士團隊研發的自加熱技術的關鍵就在于：在特定溫度下快速充電。為了讓電池能夠在快充前迅速加熱到指定溫度，王朝陽團隊在電池內部插入 50 微米厚度的鎳箔，一端連接到負極，另一端延伸到電池外部以形成第三端。電流一旦流動，就會通過電阻加熱鎳箔，產生熱量。一旦電池內部溫度超過 60 ℃時，就會觸動溫度傳感器并關閉鎳箔電流，此時電池與準備好快速充電。而不工作時，電池的溫度會快速冷卻到環境溫度。

 

 

圖2：自加熱電池結構圖

 

熱調控磷酸鐵鋰電池的性能賣點

 

基于上述技術，王朝陽院士團隊提出了熱調控磷酸鐵鋰電池(TM-LFP battery)的概念，其核心在于：在電動汽車充電之前將電池快速加熱至60℃左右進行快充，停止充電后電池會迅速冷卻至環境溫度。

 

性能賣點一：10分鐘快速充電，可續航約250公里，而且不會出現所謂的析鋰現象。

 

如圖3所示，磷酸鐵鋰電池在室溫下最快可實現20分鐘 (3C)充電，而在低溫（0℃）下，只能實現80分鐘(0.7C)充電。相反，如果在充電之前先將電池加熱至60℃，磷酸鐵鋰電池在6C的倍率下充電也沒有觀察到析鋰現象，而且充電時間可降至10分鐘以內。這也意味著，只要加熱速度足夠快，熱調控電池在任何環境溫度下都可以實現10分鐘快速充電。

 

 

 

圖3：磷酸鐵鋰電池在不同環境溫度下最大充電速率。

 

性能賣點二：全氣候電池，實現250公里的高續航能力，百公里加速時間僅需3秒以內。

 

基于團隊前期的自加熱電池結構，熱調控電池每升溫10℃大概消耗1.35%SOC，這意味著從-20℃加熱至60℃需要消耗10.8% SOC。也就是說，即使在-20℃環境中熱調控磷酸鐵鋰電池加熱后只剩余89.2% SOC，仍然可以提供大于250公里的續航里程（圖4a）。此外，該電池在-20℃， 10%SOC下的功率密度仍然達到~1500W/kg（圖4b）。更重要的是，所組裝的40kWh的電池包能夠實現大于300kW的峰值功率，這意味著百公里加速時間可維持在3秒以內，超越了特斯拉！

 

 

圖4：熱調控電池能夠實現全氣候、高續航里程、高功率以及10分鐘快充。

 

性能賣點三：采用低活性，低比表面積的石墨作為負極材料，電池的壽命有望超過200萬公里。

 

最后，團隊對比了傳統三元電池、磷酸鐵鋰刀片電池、熱調控磷酸鐵鋰電池的各項性能指標。如圖5所示，熱調控電池可同時滿足電動汽車的多項需求，集低成本、高安全、高功率、快速充電、全氣候、長壽命于一身，有望應用于未來面向大眾市場的電動汽車中。

 

 

圖5：熱調控磷酸鐵鋰電池、傳統三元電池、磷酸鐵鋰刀片電池的性能指標雷達圖。

 

10分鐘快充技術離產業化有多遠？

 

團隊表示，該技術基本上是能直接產業化的，原因在于：一，實驗采用了工業界標準的電池；二，技術通過了第三方、美國阿貢國家實驗室測試。

 

此外，據了解王朝陽院士另一項重大技術突破“全氣候”電池，已經實現商業化，且這一成果即將用于 2022 年北京冬奧會。