《新型锂电池5分钟内完成充电》

  • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2024-01-30
  • 美国康奈尔大学科学家研制出一款新型锂电池,可在5分钟内完成充电,速度快于市场上其他同类电池,且历经数千次充放电循环后仍能保持性能稳定,有望缓解电动车驾驶员的“里程焦虑”。相关论文发表于最新一期《焦耳》杂志。

    锂离子电池是目前最受欢迎的为电动汽车和智能手机供电的方式之一。锂电池重量轻、可靠且相对节能,但它们往往需要数小时才能完成充电,而且缺乏处理大电涌的能力。在最新研究中,科学家们确定了一种独特的铟阳极材料,它可与锂离子电池内的阴极材料有效配对。在此基础上,他们制造出了一种能在5分钟快速完成充电且缓慢放电的电池。

    研究人员解释说,为设计出最新电池,他们专注于电化学反应动力学,确定铟是一种极具潜力的快速充电材料。铟是软金属,主要用于制造触摸屏显示器和太阳能电池板的氧化铟锡涂层,也被用作低温焊料中铅的替代品。

    新研究表明,铟作为电池阳极拥有两个关键特性:极低的迁移能量势垒,使离子能在固态中快速扩散;减少与阳极中离子的交换电流密度,减缓表面反应——这两大特性结合,对于快速充电和长时间储存电能至关重要。

    此项创新的关键在于,使电池阳极处的金属离子自由移动,找到正确的配置,然后才参与电荷存储反应。如此一来,在每个充电周期,电极都处于稳定状态,从而使新电池在数千个充放电周期保持稳定。

    研究人员表示,这项技术与无线感应充电道路相结合,有望缩小电池的尺寸和成本,使电动交通成为司机更可行的选择。但铟很重,他们希望借助人工智能工具,发掘更好的电池阳极。

  • 原文来源:http://www.cnenergynews.cn/kejizhuangbei/2024/01/24/detail_20240124145373.html
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    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2021-02-03
    • 王朝阳院士团队提出了热调控磷酸铁锂电池(TM-LFP battery)的概念,其核心在于:在电动汽车充电之前将电池快速加热至60℃左右进行快充,停止充电后电池会迅速冷却至环境温度。   除了成本,电动汽车里程焦虑症是限制电动汽车大规模普及的重要因素之一。所谓里程焦虑,是指人们在行驶过程中担心电动汽车的电量不足,不足以将其带到充电桩充电或者目的地。   目前,有望解决里程焦虑症的有效方案是锂电快充技术,提高电动汽车的续航能力。在这方面,特斯拉取得了亮眼的业绩。2020年6月29日,特斯拉在官网发布了Model 3高性能全轮驱动版车辆的国标工况续航里程,续航里程测试结果为635km,百公里加速时间为3.4秒。操控性和空气动力学表现极佳,时速可达261公里/小时。最重要的是,充电 15 分钟即可补充最多约 250 公里的续航电量。   在技术层面上,虽然已经实现了锂电快充技术,但是这离不开高活性电极材料的保驾护航,随之而来的便是人们非常关注的安全性和成本问题。因此,如何兼具低成本、安全性高、高能量密度和充电速度,成为了锂电池发展进程中的一个永恒主题。   美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳院士团队通过采用一种更为简捷、成本低廉的“热刺激”技术,攻克了锂电池快速充电和电池寿命难以兼得的关键问题。团队提出了热调控磷酸铁锂电池(TM-LFP battery) 的新型概念,研制出一种集低成本、安全性、快充且高续航里程于一身的高性能磷酸铁锂电池,有望解决新能源汽车发展的“里程焦虑”和“充电时间焦虑”难题。   据悉,仅需充电10分钟,该磷酸铁锂电池即可续航约250公里,而且成本仅与传统的内燃机相当。值得一提的是,装载该电池的电动汽车可在3秒内加速到60公里/小时!相关研究成果以“Thermally modulated lithium iron phosphate batteries for mass-market electric vehicles”为题,发表在《Nature Energy》上!   低成本、快充和电池寿命如何兼得?   王朝阳院士表示,秘诀就在于团队前期研发的热刺激技术,也称自加热技术(self-heating technology)。   在介绍该技术之前,先来看看锂电池快充技术的原理。简单来说,快充的实质就是增加锂离子的传递速率。普遍的做法是提高温度,从而加快锂离子移动速度,那么相应的充电速度就会提升。但是提高温度带来了新的问题,长时间高温充电会让电解液分解,缩短电池寿命。这就需要摸索出一个适当的温度参数和时间参数。 图一:锂电快充原理示意图。高温下充电速度会加快,其中金色小球代表锂离子。(图源:宾夕法尼亚州立大学)      在前期的研究中,王院士团队发现,如果电池能在充电前迅速加热到60℃,快充10分钟,然后迅速降温到环境温度,那么不仅不会形成电池的热衰减,还能避免严重的SEI膜增长。   而王朝阳院士团队研发的自加热技术的关键就在于:在特定温度下快速充电。为了让电池能够在快充前迅速加热到指定温度,王朝阳团队在电池内部插入 50 微米厚度的镍箔,一端连接到负极,另一端延伸到电池外部以形成第三端。电流一旦流动,就会通过电阻加热镍箔,产生热量。一旦电池内部温度超过 60 ℃时,就会触动温度传感器并关闭镍箔电流,此时电池与准备好快速充电。而不工作时,电池的温度会快速冷却到环境温度。 图2:自加热电池结构图      热调控磷酸铁锂电池的性能卖点   基于上述技术,王朝阳院士团队提出了热调控磷酸铁锂电池(TM-LFP battery)的概念,其核心在于:在电动汽车充电之前将电池快速加热至60℃左右进行快充,停止充电后电池会迅速冷却至环境温度。   性能卖点一:10分钟快速充电,可续航约250公里,而且不会出现所谓的析锂现象。   如图3所示,磷酸铁锂电池在室温下最快可实现20分钟 (3C)充电,而在低温(0℃)下,只能实现80分钟(0.7C)充电。相反,如果在充电之前先将电池加热至60℃,磷酸铁锂电池在6C的倍率下充电也没有观察到析锂现象,而且充电时间可降至10分钟以内。这也意味着,只要加热速度足够快,热调控电池在任何环境温度下都可以实现10分钟快速充电。 图3:磷酸铁锂电池在不同环境温度下最大充电速率。      性能卖点二:全气候电池,实现250公里的高续航能力,百公里加速时间仅需3秒以内。   基于团队前期的自加热电池结构,热调控电池每升温10℃大概消耗1.35%SOC,这意味着从-20℃加热至60℃需要消耗10.8% SOC。也就是说,即使在-20℃环境中热调控磷酸铁锂电池加热后只剩余89.2% SOC,仍然可以提供大于250公里的续航里程(图4a)。此外,该电池在-20℃, 10%SOC下的功率密度仍然达到~1500W/kg(图4b)。更重要的是,所组装的40kWh的电池包能够实现大于300kW的峰值功率,这意味着百公里加速时间可维持在3秒以内,超越了特斯拉! 图4:热调控电池能够实现全气候、高续航里程、高功率以及10分钟快充。   性能卖点三:采用低活性,低比表面积的石墨作为负极材料,电池的寿命有望超过200万公里。   最后,团队对比了传统三元电池、磷酸铁锂刀片电池、热调控磷酸铁锂电池的各项性能指标。如图5所示,热调控电池可同时满足电动汽车的多项需求,集低成本、高安全、高功率、快速充电、全气候、长寿命于一身,有望应用于未来面向大众市场的电动汽车中。 图5:热调控磷酸铁锂电池、传统三元电池、磷酸铁锂刀片电池的性能指标雷达图。      10分钟快充技术离产业化有多远?   团队表示,该技术基本上是能直接产业化的,原因在于:一,实验采用了工业界标准的电池;二,技术通过了第三方、美国阿贡国家实验室测试。   此外,据了解王朝阳院士另一项重大技术突破“全气候”电池,已经实现商业化,且这一成果即将用于 2022 年北京冬奥会。
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    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2019-01-29
    • GBatteries公司称,其技术将大幅提升现有锂电池的充电能力,只要充5分钟,就能让电动车行驶119英里,10分钟就能充满电,算起来和汽油车加满油的时间差不多。这有望令推动电动车成为汽车业的主流。 充电几分钟,开车上百公里,这可能不再是梦想了。 据美国媒体Axios报道,一家专注于电池技术的初创公司GBatteries表示,他们已经破译了能让锂电池更快充电的“密码”,只要充电5分钟,就能够让一部配置60kWh锂电池的车子行驶119英里(约192公里)。 通常情况下,现有的锂电池技术充电5分钟,只够让电动车行驶15英里(约24公里)。 这意味着,如果加拿大GBatteries公司的最新技术落地,那么现存的锂电池将有望在5分钟内充一半电量,10分钟就能充满,算起来和汽油车加满一箱油的时间差不多。 电池技术是制约电动车发展的关键瓶颈之一。即使是行业领头羊之一特斯拉的技术也是有限的,其Model S和Model X每充电一个小时,续航里程最高大约80公里。 也就是说,GBatteries的技术有望通过推动电池充电进步而使得电动车成为汽车业的主流产品,这一关键在于突破一个锂电池超快充电的主要障碍:电极损坏。一旦出现电极损坏,锂电池的预期寿命就会降低。 GBatteries使用人工智能(AI)来帮助优化电池汽车的充电系统。公司创始人之一、航空航天工程师Kostya Khomutov说: 绝大多数公司专注于以研发新的化学电池或者电池材料来提高充电速度。研发新材料非常困难,按照车企的需求来匹配相应的充电技术提升需要耗费数十亿美元。我们的科技综合了软件算法和电子工业,将其应用于现有锂电池上。 “这项技术与现成的锂离子电池和现有的快速充电基础设施相结合,通过汽车充电端口上的专利自给适配器进行集成。”GBatteries在今年的CES展会上这样介绍自家的技术。 大多数充电系统依靠相当原始的系统,比如恒流恒压(CCCV)充电方法来充电,包括温度在内的各种因素都会减慢或停止充电。GBatteries通过设置一个非常具体的充电模式来管理这一点,该模式可以根据需要“减速”和“加速”充电。这使得在适当的条件下充电速度更快。 现在的问题是,GBatteries的技术距离系统性的商业化应用可能还有好几年的时间。 GBatteries公司称,其技术将大幅提升现有锂电池的充电能力,只要充5分钟,就能让电动车行驶119英里,10分钟就能充满电,算起来和汽油车加满油的时间差不多。这有望令推动电动车成为汽车业的主流。 充电几分钟,开车上百公里,这可能不再是梦想了。 据美国媒体Axios报道,一家专注于电池技术的初创公司GBatteries表示,他们已经破译了能让锂电池更快充电的“密码”,只要充电5分钟,就能够让一部配置60kWh锂电池的车子行驶119英里(约192公里)。 通常情况下,现有的锂电池技术充电5分钟,只够让电动车行驶15英里(约24公里)。 这意味着,如果加拿大GBatteries公司的最新技术落地,那么现存的锂电池将有望在5分钟内充一半电量,10分钟就能充满,算起来和汽油车加满一箱油的时间差不多。 电池技术是制约电动车发展的关键瓶颈之一。即使是行业领头羊之一特斯拉的技术也是有限的,其Model S和Model X每充电一个小时,续航里程最高大约80公里。 也就是说,GBatteries的技术有望通过推动电池充电进步而使得电动车成为汽车业的主流产品,这一关键在于突破一个锂电池超快充电的主要障碍:电极损坏。一旦出现电极损坏,锂电池的预期寿命就会降低。 GBatteries使用人工智能(AI)来帮助优化电池汽车的充电系统。公司创始人之一、航空航天工程师Kostya Khomutov说: 绝大多数公司专注于以研发新的化学电池或者电池材料来提高充电速度。研发新材料非常困难,按照车企的需求来匹配相应的充电技术提升需要耗费数十亿美元。我们的科技综合了软件算法和电子工业,将其应用于现有锂电池上。 “这项技术与现成的锂离子电池和现有的快速充电基础设施相结合,通过汽车充电端口上的专利自给适配器进行集成。”GBatteries在今年的CES展会上这样介绍自家的技术。 大多数充电系统依靠相当原始的系统,比如恒流恒压(CCCV)充电方法来充电,包括温度在内的各种因素都会减慢或停止充电。GBatteries通过设置一个非常具体的充电模式来管理这一点,该模式可以根据需要“减速”和“加速”充电。这使得在适当的条件下充电速度更快。 现在的问题是,GBatteries的技术距离系统性的商业化应用可能还有好几年的时间。