當(dāng)幾乎所有的電動(dòng)車都能10分鐘充滿75%，還會(huì)存在里程焦慮嗎？
也是使用了早先在其實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)的自加熱方法——自熱電池使用薄鎳箔，一端連接到負(fù)極，另一端延伸到電池外部以形成第三極，通過加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量能量。
眼下就有一種新型的充電技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)10分鐘超級(jí)快充。
最近，來自美國賓夕法尼亞州立大學(xué)王朝陽（Chao Yang Wang）教授聯(lián)合多位研究人員，在鋰離子電池快充技術(shù)上獲得一項(xiàng)重大突破。
據(jù)他們描述，這種快速充電技術(shù)適用于大多數(shù)能量密集的電池，使電動(dòng)汽車電池充電時(shí)間縮短到10分鐘。即便將電動(dòng)汽車電池從150千瓦時(shí)縮小到50千瓦時(shí)，司機(jī)也不會(huì)有里程焦慮。
這項(xiàng)技術(shù)突破以“Fast charging of energy-dense lithium-ion batteries”為題發(fā)表在國際頂級(jí)期刊《Nature》上。
這種突破性的技術(shù)，更是得到了美國能源部、美國國防部、美國空軍和威廉·迪芬德弗基金會(huì)的青睞。
01在鋰電池中加鎳箔
目前提升電池快充能力的主流手段是電池材料改性，如提升電解液電導(dǎo)率、增加石墨材料比表面積等，這些都是在犧牲電池在正常工作條件下的壽命和安全性為代價(jià)，但這些手段大多都效果不佳。
而這項(xiàng)最新技術(shù)的核心，主要在于對(duì)電池內(nèi)部的熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)。
電池在運(yùn)行時(shí)需要熱起來但卻不能太熱，一直以來，電池的溫度基本都是依賴外部附加的龐大的加熱和冷卻系統(tǒng)來控制，這種系統(tǒng)反應(yīng)非常緩慢，還會(huì)浪費(fèi)大量能源。
為此研究人員開發(fā)了一種新的電池結(jié)構(gòu)，除了陽極、電解質(zhì)和陰極外，還添加了超薄的鎳箔作為第四種成分。
作為一種刺激物質(zhì)，而鎳箔可以自我調(diào)節(jié)電池的溫度和反應(yīng)性，這使得任何電動(dòng)汽車電池都可以快速充電10分鐘。
其實(shí)早在6年前，王朝陽及其同事就開始在鋰離子電池中添加鎳箔來加熱，幫助電池在嚴(yán)寒環(huán)境中有更好的續(xù)航。
不過有個(gè)問題是，當(dāng)前所有車用鋰電池在高功率充電下都無法避免析鋰現(xiàn)象的發(fā)生，這也極大縮短了電池壽命并可能造成安全隱患。
王朝陽及其團(tuán)隊(duì)為了應(yīng)對(duì)這個(gè)問題，采用兩種鹽性（0.6 M LiFSI +0.6 M LiPF6）的電解液替換了傳統(tǒng)的電解液體系（1M LiPF6）。
相比于單一的LiPF6溶液，LiFSI溶液有更高的鋰離子遷移數(shù)（0.56 vs. 0.38），在同樣的倍率下，LiFSI還可以降低電解液濃差極化，提高電極厚度方向嵌鋰反應(yīng)的均勻性，這樣不僅提高了電解液的熱穩(wěn)定性，又極大降低了析鋰風(fēng)險(xiǎn)。
結(jié)合此前王朝陽團(tuán)隊(duì)先前研發(fā)的速熱以及非對(duì)稱溫度熱調(diào)控（Asymmetric Temperature Modulation, ATM）的方法（即充電前加熱至高溫（~60oC）快速充電，室溫放電）。
可以實(shí)現(xiàn)了高能量密度鋰離子電池（265 Wh/kg）的快速充電（10分鐘充電~75% ），并能夠穩(wěn)定循環(huán)高達(dá)2000次以上，也創(chuàng)造了動(dòng)力電池極速充電的世界記錄。
而且這些創(chuàng)新首次揭示了高比能動(dòng)力電池極速充電只需要空氣冷卻，大大提高了電池系統(tǒng)的集成度、可靠性和安全性。
研究人員表示，這項(xiàng)工作與目前聲稱充電 10 分鐘后可以行駛100或150英里的電車完全不同。
通常情況下，這些電車的續(xù)航可以達(dá)到500英里，甚至更多，所以充電10分鐘行駛100英里，只能算是沖到25%，這種全新的技術(shù)，直接將目前的充電水平提高三倍。
02王朝陽是誰？
王朝陽，華人科學(xué)家，公開資料顯示，1984年獲浙大熱物理工程學(xué)系（現(xiàn)能源系）內(nèi)燃動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，1987年獲浙大熱物理工程學(xué)系（現(xiàn)能源系）工程熱物理專業(yè)碩士學(xué)位。
如今，王朝陽是美國國家發(fā)明家科學(xué)院院士，賓夕法尼亞州立大學(xué)William E. Diefenderfer 講席教授，并且還兼任電池與儲(chǔ)能技術(shù)研究院院長(zhǎng)，美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（ASME）會(huì)士，電化學(xué)學(xué)會(huì)（ECS）電池分會(huì)執(zhí)行委員等一大堆名譽(yù)頭銜。
值得一提的是，他還曾經(jīng)擔(dān)任北京冬奧會(huì)的新能源汽車專家顧問。
種種頭銜的背后，其著作和技術(shù)專利自然少不了。
王朝陽在Nature、Joule、 PNAS,、Science Advances以及 Nature Energy 等期刊上發(fā)表了220多篇學(xué)術(shù)論文，總計(jì)被引量超過34000多次，H-index指數(shù)為102。是湯森路透評(píng)選的工程學(xué)高被引科學(xué)家之一。同時(shí)，他還擁有80多項(xiàng)專利。
他所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)似乎就是一直在專攻電池的熱管理系統(tǒng)和電池快充技術(shù)，他們?cè)?019年就提出一種名為速熱快充法的快充技術(shù)，可在10分鐘內(nèi)，為電動(dòng)汽車補(bǔ)充超過320公里的續(xù)航電量。
來源：Penns State University
而且在2021年初其帶領(lǐng)的研究小組還研究出了一種續(xù)航里程為250英里、能夠在10分鐘內(nèi)快速充電的磷酸鐵鋰電池。這種電池不包含任何諸如鈷這類昂貴的重要材料，正極由非常大的石墨顆粒制成。
來源：Nature
也是使用了早先在其實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)的自加熱方法——自熱電池使用薄鎳箔，一端連接到負(fù)極，另一端延伸到電池外部以形成第三極，通過加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量能量。
這和現(xiàn)在的十分鐘快充技術(shù)有些異曲同工，都是通過溫度控制來發(fā)揮電池的最大性能。
現(xiàn)在看來，這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)更像是在原先速充技術(shù)的基礎(chǔ)上做出的突破。
不過10分鐘充電75%的技術(shù)，除了技術(shù)主導(dǎo)人王朝陽之外，其參與研發(fā)的人還有賓夕法尼亞州立大學(xué)的 Teng Liu, Xiao-Guang Yang, Shanhai Ge 和 Yongjun Leng，以及EC Power公司的一些研發(fā)人員。
03商業(yè)化前景如何？
在燃油車向電動(dòng)車轉(zhuǎn)型過程中，電池方面有兩大問題需要解決。
一是現(xiàn)在電車充電過于緩慢，有些電動(dòng)汽車需要一整天的時(shí)間來充電，而不是在加油站花幾分鐘。
二是為了在當(dāng)前鋰價(jià)飛速上漲的背景下，追求能量密度，通過裝配大容量電池，并不是降低里程焦慮的有效方法。而且電池的體積越大，自燃風(fēng)險(xiǎn)也就越高。
正如論文的標(biāo)題所寫的那樣”Battery tech breakthrough paves way for mass adoption of affordable electric car“，其大意是電機(jī)技術(shù)的上的突破，是為人們開上價(jià)格合理的電車鋪平道路。
王朝陽曾說，這次研究的合作伙伴EC Power，正在致力于制造和商業(yè)化這種快速充電電池，以實(shí)現(xiàn)未來汽車電動(dòng)化的負(fù)擔(dān)得起和可持續(xù)發(fā)展。
來源：EV GO
EC Power 公司是該大學(xué)衍生的動(dòng)力電池初創(chuàng)企業(yè)，據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)稱，EC Power公司目前正試圖生產(chǎn)和銷售這種新電池，1-2年內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。
那么這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于汽車行業(yè)來說有多大的影響呢？
我們可以做個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比，無論是特斯拉還是小鵬，都在發(fā)力超快充技術(shù)。
目前特斯拉V4超充站的充電功率將達(dá)到350kW，充電15分鐘可以行駛300公里，30-40分鐘可以充90%，這個(gè)水平在新能源車陣營中已經(jīng)非常優(yōu)秀了。
而小鵬汽車推出S4超快充首樁，最大輸出功率達(dá)480kW，單樁最大輸出電流達(dá)670A，這套系統(tǒng)在5分鐘可以為汽車補(bǔ)能200公里。
按照官方的說法，4C車型充電10%-80%僅需不到15分鐘，這也被稱作是全球充電最快的量產(chǎn)電動(dòng)車。而3C車型同樣搭載了800V高壓平臺(tái)，峰值充電功率300kW左右，可以充電5分鐘，續(xù)航增加130公里，充電10%-80%為20分鐘。
顯然，對(duì)比特斯拉和小鵬汽車，王朝陽教授發(fā)明的快充技術(shù)，性能更加優(yōu)秀，而且在投入產(chǎn)出比方面，也會(huì)更高。
其它車企，比如廣汽埃安、比亞迪等企業(yè)都在研發(fā)快充技術(shù)，不過在充電速度方面，都很難和10分鐘充滿75%比肩。
而且這種技術(shù)，僅通過快速充電，就可以讓電池循環(huán)行駛50萬英里。研發(fā)團(tuán)隊(duì)表示，新的電池技術(shù)為更便宜、更小、能量密集的電池組打開了一扇門，“這種電池組將大幅降低電池成本，并減少鈷、石墨和鋰等關(guān)鍵原材料的使用，使價(jià)格實(shí)惠的電動(dòng)汽車得以大規(guī)模普及。”
