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【百人会】王朝阳:怎么利用速热办法达到动力电池的极速快充

2020-01-12  新闻来源:商用车联盟  新闻作者:   新闻编辑: 韩景旭

  2019年,全球汽车产业进入深度变革的关键时期。汽车技术、市场、政策正在发生前所未有的变化,机遇与挑战并存。在这个大背景下,2020年1月10日中国电动汽车百人会召开了以“把握形势 聚焦转型 引领创新”为主题的年度大型论坛。此次论坛将讨论全球及中国汽车产业与市场发生的重大变革,转型方向与路径,中国有关汽车的政策走势以及市场驱动阶段的新能源汽车技术路线、产业重组的机遇与竞争合作模式、电动汽车安全、核心技术突破、燃料电池汽车发展、自动驾驶与智能网联汽车发展的顶层设计与规制创新等相关内容。

  会议上宾夕法尼亚大学讲席教授、美国国家发明家科学院院士王朝阳发表了演讲,以下为演讲实录:

宾夕法尼亚大学讲席教授、美国国家发明家科学院院士 王朝阳

  女士们、先生们、朋友们、下午好!我还是按照惯例讲中文,但是我的PPT是英文,希望能够照顾到国内外的朋友。

  首先,感谢欧阳教授还有组委会邀请我来参加这个会议,我去年来过一次,这个会很重要,我自己觉得很重要,对我了解国内动力电池的研发起着很大的作用,所以特别感谢。

  我今天要分享的是怎么利用速热办法达到动力电池的极速快充,具体的是10分钟快充的工作。快充应该是电动汽车的必然趋势,也是电动汽车真正普及化的一个必要条件,在美国去年年底之前应该有2000多个快充桩建立起来,这些都是350kW的DC直流快充桩,350KW用在60 kWh的电池包应该可以达到10分钟或者6个倍率的快充速度,所以是很好的基础设施。大家可能也都知道,特斯拉新的版本V3它的快充功率是240kW,在国内也已经有了,这样快充桩的基础设施应该是慢慢普遍起来。在欧洲也是几个车企的联名,已经在各大高速公路上面建立快充的网络,所以基础设施应该有。下面的问题是我们的动力电池能抽受这么大功率的快充吗,这是我今天和大家分享的问题。

  不但要进行大功率的快充,而且要在任何温度下面都能够进行10分钟的快充,这个难度更大了。大家都知道动力电池充电的能力和温度是极其相关。这是美国的地图,一年的平均温度,美国25州是低于0℃,47个州是接近10℃,所以低温快充非常必要。右边的表格是充电的表格,在常温25℃的时候,可能能达到30分钟快充,但是一旦温度在0度的时候,充电的时间要大大延长,要90分钟以上,所以快充的能力和电池的温度非常相关。快充最重要科学上的挑战就是析锂,假如说材料的特性和传递的能力赶不上,把这么大的锂离子切入到石墨颗粒当中就会出现锂离子表面沉积,形成析锂,析锂是一个很危险的东西,降低寿命。析锂是取决于最重要的两个因素,一个是充电的速率,另外一个是温度,这两个是相互的关系。

  这里我们看一下,文献当中充电的寿命和温度是什么关系。所有的实践都是在1个小时充放电的标准条件下,假如说25度常温,我们寿命定义成1,到了10度,非常普通的时候,寿命只有50%了,你要是到了北京的冬天,到了负20度的话,寿命是小于1/10,电池的寿命和温度是有极大的关系。当然,做动力电池还有做电动汽车的,希望在温区,从恒温到常温都能达到不影响寿命,所以目标是上面这根线。

  怎么样达到这个目标呢,我们发表了一个预热快充法。假如说初始温度负20℃,我们先迅速的预热,30秒之内热到常温25℃,然后再接着快充,比如说3.5C,基本上是15分钟快充,总共预热加快充时间还是小于15分钟,不影响电池的寿命。整个想法关键的一步就是有一个快速预热的结构,非常幸运的是,四年前我们已经发明了这个结构,右下角的电路上可以看到,动力电池与充电桩链接的时候,充电的电流一旦开关闭合,充电电流首先要通过镍铂进行纯粹的加热,没有任何电化学反应,把温度提高到合适快充的时候,再把开关打开,同样的电流来充电电池材料,所以这是很简单的,就是开和关一键的动作,就可以达到加热快充,加热速度非常快,每分钟60kWh,还可以更快,100 kWh,120 kWh。

  有了这个结构以后,可以对电池在任何温度上进行快充,这里是3.5C进行快充,0℃需要30秒钟加热到25℃,-50℃需要69秒钟加热到25℃,再进行15分钟快充,总共加热时间加上充电时间基本上是在15分钟,几乎不影响,就是说可以在-50℃,当电池电化学已经停止工作情况下也可以进行快充,甚至也可以做-100℃可以快充,只不过时间再多1分钟而已。它的温度曲线,电压的曲线大家都可以看到,这个结果是去年发在美国科学院会刊上面。

  有了预热再快充,大大延长寿命,假如说在0℃直接快充,用3.5C快充,大概循环只有60次的样子,但是假如说你预热以后再用3.5C快充它有4500次,4500次什么概念,即使是一天一次,都有12年的寿命。所以它不影响充电的时间,因为预热时间很短。

  这是15分钟的快充,是我们前年发表的成果,我们现在怎么样取得10分钟快充,难度挑战更大了,因为它需要6C充电。这个时候你会发现加热到常温已经是不足够进行6C快充,6C假如说在常温下面循环大概只有60次的样子。所以在常温下面,6C还是承受不了。

  我们怎么想办法解决这个问题呢,还是回到基本的锂离子运动的基本过程,三个过程,一个是离子从电解液过来,另外一个是在石墨表面上嵌入反应,第三个是在石墨颗粒当中怎么扩散,这三个过程它的速率取决于你能不能做快充。很简单,我们不是光加热到常温,而是加热到60℃,原来起始温度是常温的,我从20℃到60℃,可以把电解液导电增加一倍,相当于我发明了一个新型的电解液,导电率增加了一倍的电解液,然后可以在石墨颗粒当中,锂离子扩散系数增加6倍,相当于发明了新型的石墨,快速扩散。还有,就是把石墨表面的电化学反应增加12倍,一个热温度效应可以达到相当于三个材料方面改进的作用,效果非常明显。

  有了这些以后,我们可以进行快充,没有析锂的快充。但是我们在做之前,很多都会想,加热到60℃是有风险的,我们知道锂离子电池在高温下面会衰减,确实在常温下有2000多循环,40℃1500个循环,20℃只有二三百个循环,我们怎么样抑制这个增长呢,很简单,用一个巧妙的办法,就是控制电芯呆在60℃的时间,我们发明了一个方法ATM(Asymmetric Temperature Modulation),非对称温度调制,具体的意思是说电池在使用过程当中,无论是放电还是回家慢慢充电,都是在常温下面进行,但是假如需要快充的时候,我能够瞬间的,非常快的,把电池温度增加到60℃,然后进行无析锂的快充,在60℃改善性能,没有析锂。快充完了以后,我又可以快速的把电芯从60℃冷却到40℃,这样的话呆在60℃的时间极短。大部分时间是在常温工作,普通的标准电池活性,可以行驶,也可以在家里慢慢充电,但是一旦有需要到快充站进行快充之前,我们会很快在1分钟内或者30秒内进行热刺激,把你的电池活性提高好几倍,然后就可以进行无析锂的快充,10分钟之后冷却下来,该干啥干啥。所以,在整个寿命周期呆在60℃的时间是极短,我们可以进行估算,假设这个电池有1000次快充的寿命,每次快充假设是10分钟,算起来有7天的时间,而1000次的快充可以产生20万英里的里程,或者说约30万公里,相当于12年的时间,呆在60℃的时间相对整个寿命周期只有0.2%,衰减几乎很少,呆在60℃,无析锂就下来了。

  可以做很多分析,这是具体的测试数据,用这种快速办法,10分钟6C快充,上面的图是电压图,下面是温度图,电压在刚开始有充电电流加热30秒,温度从25℃到60℃,然后加热停止以后,进行6C快充,在10分钟不到的过程当中完成80%的SOC充电,温度基本上保持在60到62度,温升很小,用这种办法,我一会讲为什么。充电完了以后,你温度下降也会很快,大概在15分钟内,从60度降到40度,在40度内电池是相对安全的,不会有太多的衰减。所以总共呆在60℃附近的时间也很短,对电池寿命没有什么太多的影响,所以诀窍就在这里,这样保证了能够无析锂的快充,所以寿命有保证。同时用这种办法可以对高能量密度的电芯进行快充。

  这是一组数据说明另外一个重要的结果,用速热快充法我们对冷却的要求减少了13倍,也就是减少了一个数量级以上,用我们这个办法,快充的热管理是很容易的事情,很多人也很纳闷,我们先看试验数据,这组试验数据都是在6C条件下进行,不同的条件就是初始的温度,假如说初始温度是常温20℃,我需要开很大的风扇把电芯冷下来,然后电芯的温升大概是10℃的样子,但是一旦把充电温度预热到40度的时候,你会发现只要保持很微弱的风扇,就可以让电芯在10分钟快充期间温升几乎没有。假如说在49℃,都不能保持这个风扇,要把风扇关了,自然对流才能保持没有温升,开着风扇温度往下掉,在这种办法下面,我们的挑战是怎么保温而不是怎么散热,所以对散热的要求是极低的,60℃的话,我要把电芯包起来进行大电流的快充,用绝热材料包起来。

  什么原因,用一个简单的热平衡可以计算出来,要想在10分钟快充过程当中,温升0的话,电芯的产热必须被散热平衡掉,这是产热的一个方程式,假如说有一个绝好的热管理系统,它能够让一个电芯在常温20℃的时候进行快充又保持温升是0,就必须平衡。同样的热管理系统,我要进行预热快充的方法,在60℃快充,发生两个变化,第一个变化,内阻减少了一倍,也就是说产热只有1/2,有的时候产热只有1/3,产热就少了一大堆。第二,散热能力在同样的热管理设计下面,散热的能力增加了很多倍,它说60℃到20℃,相比从26℃到20℃,温差大大增加。所以这个时候要保持温升是0的话,要把热管理的能力降低13倍,也就是说原来是水冷要改成风冷,风冷改成自然对流,传热面积还要减少,所以这些都是颠覆传统的理念,觉得在大电流快充下面必须要增加热管理,不是这样的情况。所以对我们热管理带来了很大的便利,当然很多数据可以看,随着充电温度可以看到寿命是在往上涨,刚开始没有加热,一直到加热到40℃,49℃,60℃,寿命一直是往上涨。

  我们也做过很多表征,电芯循环完了以后做解剖试验,可以看得出,在26℃进行6C快充有很多析锂,60℃很少有析锂,我们做过SEM,XPS等各种各样的分析,在60℃快充可以看到石墨原来的形貌都保留在那。具体的数据很多,我们可以在文献当中查得到。

  另外一个,一旦消除析锂,没有析锂以后,电池衰减在我们的电芯当中,电芯衰减只是由SEI控制,这个时候还有一个诀窍,我可以把石墨颗粒做的大一点,比表面积做的小一点。这是一个对比试验,假如说把寿命和在时间的尺度当中画出来,一个是在红色的曲线,另外就是拿一个电池,直接在60℃里面循环,同样也可以把寿命和时间尺度表达出来,就是蓝色的曲线,你会发现它两个几乎是重合的,特别是在80%的衰减之前是重合的,说明主要衰减是时间的因素,所以是在时间尺度上这两个是一模一样的,但是在循环尺度上或者循环次数相差很大,比如说1C充放电一次循环,这个是2个小时,这个快充只有10分钟,在循环次数上是保持很高的性能。

  刚才已经提到过,因为我们知道在ATM的电池当中,它的主要衰减基理,可以把石墨比表面积做小,进一步改善它的寿命,蓝的曲线就是以前的,在上面跟大家说的所有的标准的石墨,比表面积3.6,我们把它减少到1.5,衰减又进一步减少。放在循环,到2500次,10分钟快充,它的衰减都没有超过9%,这种都是有3000次的循环。相比DOE,美国能源部的500次,我们现在已经2500次,5倍。在这个方法当中,最关键一点就是预热的速度,你不能呆在高温时间太长,我们把寿命和充电的温度划成一块,用加热速度作为曲线的参数,就可以看到,比如说25℃没有加热,直接就在25℃常温充电,我们把它的寿命定义为1,目前的外加热速度基本上每分钟0.5秒,我要热到60℃充电,需要很长的时间,大概需要70分钟的样子,再加上10分钟充电,总共时间是80分钟,所以在60度衰减非常厉害,因为呆在60度时间很长。假如说把预热的时间和充电的时间全加起来,这样比较科学,这是我们总共的充电时间,垂直的坐标是寿命,把两个放在一块,你会发现,用目前的结构,外置的加热是达不到快充的目的,快充的总共时间要短,寿命要长,它走的是相反的方向,预热时间长,寿命短,而我们的FCB是在这个角落里完全符合快充的要求。所以预热的时间或者预热的速度是一个非常关键的参数。

  最后一页我给大家看一下这个独立测试评估的报告,这是Argonne Natl Lab,我们把材料寄给它,它按照它的方法测试,它的测试结果跟我们没有关系。右边可以看到,做了500循环,DOE只做500循环,到了500循环就停掉了,我们的快充就是圆圈,跟标准的循环,它的寿命几乎是没有差别,也就是说6C的快充没有引起多余或者额外的电池的损伤,非常接近,这个结果很好。更惊讶的是,看到左边的照片,这是电芯放在绝热材料里,包起来快充,进行大电流快充,6C就是60A,很少有人尝试这个东西,但是有时候一旦突破传统的理念你就会发现外面的景色非常美,非常简单,反而变得更简单,而且必须包起来,不包起来温度会下降。即使在包起来的情况下面,大电流充电寿命还这么好。

  所以很快总结一下。首先,这是速热快充法,我想是相对比较简单的一个方法。它对目前的电池,就是目前纯电动的能量型的电池可以做到2500到3000次,没有任何问题。这个方法能够对电池的冷却减少要求,也是减少成本,目前做的工作就是在循环,更高能量密度,比如280Wh/kg,更厚的电极,更致密的电极,应该是1000次也没有问题,希望在不远的将来和大家分享更多的结果。FCB技术已经被相当多的车企和制造商验证过,包括我刚才说的Argonne Natl Lab验证过。这个是美国有100年历史的科普印刷品,他写了一篇文章,用这个勉励所有在座的科研人员,一些新的发现或新的研究,可以改变任何事情,这就是我们科研人员的初衷,希望我们的一些东西能改变任何事情。

  谢谢大家。

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