2021-01-20 09:39:50 高分子科学前沿

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。而消费者是否愿意为高成本和高风险买单，这似乎不言而明。

因此，如何兼具低成本、安全性高、高能量密度和充电速度，成为了锂电池发展进程中的一个永恒主题。

近日，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。