機器之心報道

編輯：杜偉、陳萍

在電動汽車越來越「熱」的當下，電池的材料也越來越多樣化。

電動汽車的電池材料有不同的選擇，例如固態鋰電池。上個月，哈佛大學自主研發了一種新型固態鋰電池，僅需 3 分鐘就可以充滿電，使用壽命更是能夠超過 10000 次。

今天介紹的是另一種特殊的材料——鎳箔，通過在電池內部加入一層薄薄的鎳，標準電動汽車電池可以在 10 分鐘左右充滿大部分電量。這可以為配備多個昂貴電池組的電動汽車提供一種更經濟的替代品。

舉個例子，在傳統遠程電動汽車的旅行時，電池容量 120 千瓦時且需要一個小時充滿電的電池組可以替換為電池容量 60 千瓦時且僅充電 10 分鐘的電池組，二者的續航里程保持非常接近。

這項研究是由賓夕法尼亞州立大學材料與工程學杰出教授王朝陽（Chao-Yang Wang）等多位研究人員完成的，并發表在了 10 月 12 日的 Nature 上。王朝陽教授是燃料電池和二次電池領域的專家學者，并于 2019 年 12 月當選為美國國家發明家科學院院士。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05281-0

研究人員對充滿電后續航里程約為 560 公里的鋰離子電池進行了實驗，其中該電池的能量密度為 265 瓦時 / 公斤。通過在它的內部添加超薄鎳箔，11 分鐘可以充電至 70%，行駛里程約 400 公里；12 分鐘可以充電至 75%，行駛里程約 440 公里。

其實，早在 2016 年，王朝陽及其同事就開始在鋰離子電池內部添加鎳箔來加熱，幫助電池在嚴寒環境中有更好的續航表現。在新研究中，他們同樣使用鎳箔來加熱電池并提升了性能，這也是他們在 2021 年為電動飛行汽車 eVTOL 采取的電池策略。

電池在運行時需要熱起來但卻不能太熱，因此將電池保持在適宜的溫度一直是電池工程師面臨的一大挑戰。過去依靠外部笨重的熱冷系統來調節電池溫度，但會導致反應緩慢并耗能很大。

因此，在電池內部加入鎳箔來調節溫度成為另一種選擇。王朝陽表示，「我們需要一種簡單的方式讓電池快速升溫——在一分鐘內。而在早期的自熱電池中，我們碰巧發明了一種內部加熱箔。」總之，他們發現只需要調整電池材料，就能保證鋰離子電池在高溫下保持非常穩定和安全。

對于電動汽車而言，當充電至 75% 時，電池可以持續使用超過 900 次循環，續航里程約為 402,000 公里；當充電至 70% 時，電池可以持續使用約 2,000 次循環，續航里程約 804,000 公里。其中每次充電都是快速充電。

專為電動汽車開發的 10 分鐘快速充電電池，頂部的黑匣子包含一個控制模塊的電池管理系統。

研究人員表示，這項工作與當前聲稱充電 10 分鐘后可以行駛 100 或 150 英里的電動汽車完全不同，因為這些汽車通常具有 600 英里的連續行駛里程，因此行駛 150 英里基本上只相當于充電到 25%。這項工作則將當前的充電水平提高了三倍。

目前，王朝陽實驗室正與美國初創公司 EC Power 合作開發這項電池技術，后者致力于快速充電電池的制造和商業化。未來，研究人員希望在 5 分鐘內將超高能量密度電池充電至 80%。他們已經為這一愿景打下了科學基礎，之后的工作就是微調更穩定的材料和熱調制策略。

王朝陽。

研究介紹

想要電池快速充電必須同時滿足三個評估指標：（1）充電時間（2）獲得的比能（3）快速充電條件下的循環次數。缺少這三個指標中的任何一個都是不充分的或具有誤導性的。

如下圖為快速充電電池的示意圖。在這個示意圖中，汽車可接受區域包括左上角的矩形區域，由美國能源部規定的 15 分鐘內獲得的 150 Wh kg^−1 最小能量定義。理想的充電目標是獲得 240 Wh kg^−1 的能量（例如，在充電 5 分鐘后，將 300 Wh kg^−1 電池充電到 80% 的充電狀態（SOC，state of charge）），且每次充電都是快速充電，循環壽命超過 2000 次。圖 1a 為文獻數據，其中電池循環壽命大于 800，滿足汽車循環壽命的最小要求；圖 1b 顯示了循環壽命低于 800 的電池，這個數字是用戶不能接受的。

為了實現 15 分鐘獲得 240 Wh kg^-1 比能和超過 800 次循環的目標，本文選擇了面積容量為 3.4 mAh cm^-2 的 LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O_2 ( NMC811 ) 作為陰極。通過將 ATM （asymmetric temperature modulation）方法與雙鹽電解質和更大孔隙率的陽極相結合，來改善離子傳輸，因而本文展示了一種適用于汽車的解決方案。

當充電為 4C（C 代表放電倍率）至 75% SOC ( 荷電狀態，約 25 萬英里 ) 時，鋰電池可以循環超過 900 次，而當上部荷電 SOC 降低至 70% ( 約 50 萬英里 ) 時，鋰電池循環約為 2000 次。

在這項工作中，本文使用能量密度更高的 NMC811 陰極材料電池。下圖 2 為 ATM 方法下的高比能鋰離子電池容量衰減曲線。下圖表明，僅使用 ATM 無法實現不鍍鋰的高能電池的 15 分鐘 / 4C 快速充電；電解質的傳輸性質需要進一步加強。

改進離子傳輸

本文使用 LiPF_6-LiFSI 雙鹽電解質和更高的陽極孔隙率來改進離子傳輸。與 LiPF_6 相比，LiFSI 不但具有相似的離子電導率和更高的遷移數，更重要的是，它的熱穩定性更好。

為了利用 LiPF_6-LiFSI 的這些特性，本文改用雙鹽電解質，其中 1M LiPF_6 被 0.6M LiFSI 和 0.6 M LiPF_6 取代。在 6C 放電條件下，相對于基線電解質，相對容量從 70% 增加到 90%。此外，LiFSI 更好的熱穩定性可實現更高的充電溫度和更快的充電速度。

下圖為 LiBs 的快速充電與增強離子傳輸示意圖：a 為 ATM 循環內的電壓和溫度分布。b 為快速充電下的容量保持。c 為快速充電后獲得的比能。

最后，基于上述改進，本文評估了 ATM 策略在電池組水平上對電池冷卻和安全性的影響。模擬發現電池在 C/3 放電后需要 11.6 分鐘才能冷卻到 40 °C 以下（圖 4c），在單個電池測試中觀察到大約需要 8 分鐘（圖 3a），假如在進行一些優化，這個時間可以減少到大約 5 分鐘。這些數值結果證明了支持 ATM 的電池組實現安全 4C 充電的可行性。