10分钟充电可让电动汽车充满80%，续航300公里到400公里，并且经过2500次充放电后，电池容量只有8.3%的损耗。这个结果已经远远超出了美国能源部的目标。作为对比，特斯拉的ModelS目前快充效率为40分钟充电80%。这个神奇结果由宾夕法尼亚州立大学王朝阳教授团队发布在10月30日的《焦耳》杂志（Joule）。在方法上，他们并没有盯着改进电池材料不放，而是"曲线救国"，采用了一种更为简捷、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，也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。与绝大多数实验室研究不同，这项成果最厉害的地方是其成熟程度非常高。王朝阳告诉DeepTech，热刺激快充技术基本上不需要工业化前的改进了，"是能直接用的"。60摄氏度，10分钟
图|高温下充电会加快，金色小球代表锂离子。（来源：宾夕法尼亚州立大学）电池中的离子从正极流向负极就会产生能量，这便是电池的充电过程，其充电速度受限于离子移动的速度。如果提高温度，离子移动速度就会加快，充电速度相应提升。这正是王朝阳团队研究的出发点。然而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。经过反复测试，王朝阳团队发现，如果电池能在充电前迅速加热到60摄氏度，快充10分钟，然后迅速降温到环境温度，那么就不会形成电池的热衰减，还能避免严重的固体电解质界面膜（SEI膜）增长，后者是电极材料与电解液在固液相界面上发生反应形成的钝化层。王朝阳说，这个技术关键是在特定高温下快速充电。具体而言，他们对3款动力电池分别在40摄氏度、49摄氏度和60摄氏度下进行了恒温充电测试，以20摄氏度下充电作为对照，之后将电池拆解来检查其有无发生析锂（锂离子在负极表面的沉积）。结果发现，经过2500次60摄氏度10分钟的极端快速充电（6C，4.2V），209瓦时每千克（Wh/kg）的高能量密度电池电池仍可拥有91.7％的容量，只有8.3%的容量损耗，这远远超过了美国能源部（DOE）的"500次循环、容量损耗20％"目标，并且在充电过程中未发现析锂。以前人们普遍担心锂离子电池在高温下充电可能加速副反应，王朝阳团队的研究则表明，限定时间的高温充电所带来减少析锂的收益，远远大于副反应的负面损失。高温下充电能减少析锂。电池的正极或负极具有类似海绵的物理结构，可以释放或接收锂离子。由于充电时的极化作用，锂离子会在负极表面沉积，发生析锂。而析锂在低温下会更加严重，因为锂离子的移动速度减缓会更容易沉积在负极表面。也就是说，低温充电时会更加减少充电效率和增加安全风险。高温充电时锂离子移动速度足够大，锂离子会均匀地渗透进去。电池自加热图|"全气候"电池。（来源：宾夕法尼亚州立大学）图|自加热电池结构图，Cathode为阴极，Anode为阳极，Elecetrolyte为电解液，Metalfoil指的是镍箔。（来源：王朝阳）为了让电池能够在快充前迅速加热到指定温度，王朝阳团队开发了"全气候"电池。他们在电池内部插入50微米厚度的镍箔，可有效进行自加热。电流在低温时开启，流过镍箔，产生热量。一旦电池内部温度超过60摄氏度时，就会触动温度传感器关闭镍箔电流。该电池可以在30秒内自加热到60摄氏度，同时不减弱电池在常温下的性能和寿命。这一过程既不需要外部加热设备的帮助，也不需要在电解质里添加特别的添加剂。王朝阳说，这个自加热过程可以进一步改进，使其自加热时间更少。研究指出，这个研究可以在量产电池上推广，镍箔会增加0.47%的成本和1.3%的重量，但由于其削减了目前外接加热器的需求，所以实际上减少了电池组的成本。王朝阳创建的ECPower公司已经实现"全气候"电池的商业化，并且这个成果即将用于2022年北京冬奥会。2022冬奥会将会大规模使用新能源汽车，但这些车辆将面临零下20℃至零下30℃的低温工作环境，那么电动车辆将会面临电池的充电速度变差，容量和寿命也会衰减。王朝阳与北京理工大学团队合作，将其发明的电池自加热技术应用于新能源汽车动力电池。据报道，经过试验验证，新技术对电池安全性能没有影响，电池系统比能量达到170瓦时每千克，系统可靠性实验累计完成充切断数超过5000次，能够彻底解决电动汽车在冬季续驶里程急剧下降、无法启动、衰减、安全隐患等诸多难题。专访王朝阳：用简捷、低成本的技术做快充开发DeepTech：热刺激快充是你们独家的发现吗？你们是如何想到这个更"简捷"方法的？王朝阳：热刺激快充是我们的独家发明。各种快充的实质是一样的，即增加锂离子的传递速率，只是我们用了加热的物理方法。我研究了25年锂电池，做过各种尝试，包括改良材质，改进电解液，在电解液中添加各种添加剂，以及改良石墨颗粒，目的都是让锂离子传输得快一点。但是这些改进有一个很大的局限，就是一旦增加了某个方面的收益，你就会牺牲另一方面的优势。比如说，如果把电解液改良了，其导电率提升，加快了充电速度，但同时这个电池就变得更加危险，其发生内短路起火或爆炸风险就相应增加。再比如说，如果把石墨颗粒变小会加快锂离子移动，但是这样的材料也会增加电池风险。而我们目前采用的热刺激是一个主动控制的办法，不必改变材料本身，其安全性能没有任何变化，10分钟速战速决也避免了析锂。一般而言，我们希望寻找这样的简单方法，方法越简单，技术就越成熟，成本也会降下来。DeepTech：这项新发表的研究比你们此前的研究有哪些改进？王朝阳：以前我们只是把电池温度自加热到常温，这次我们是突破温度的禁区，把温度时间自加热到了60摄氏度。常温下充电太慢了，所以我们把温度提高到60摄氏度，可以让离子移动速率大大提高，来满足10分钟快充的需求。这里的难题是，我们怎么避免电池材料在高温下衰老。通过大量的实验跟理论推算，我们发现电池材料在高温下的衰老与时间有关，只要能够限制电池材料暴露在高温的时间，就能够让电池的损伤做到最小，那么10分钟快充正好满足这个条件。按照2500次、每次快充续航至少300公里估算，一块电池差不多有75万到100万公里的寿命。DeepTech：快充完毕后的迅速冷却是怎么实现的？王朝阳：其实靠自然冷却就可以实现。假如环境温度是25摄氏度的话，电池的60摄氏度降温到25摄氏度就有35摄氏度的温差，这与电池充电温度30摄氏度降温到25摄氏度相比，温差是7倍。此外，与60摄氏度下电池内阻相比，30摄氏度下的内阻高了3倍，那么总的来看，电池在60摄氏度下散热速率比30摄氏度下散热就会高出很多倍。DeepTech：10分钟快充技术距离产业化有多远？王朝阳：基本上是能直接用的。有2个原因，一是我们的实验用了工业界标准的电池；二是我们的技术通过了第三方、美国阿贡国家实验室测试。目前我们已经很轻松满足美国能源部"500次循环、容量损耗20％"的要求，它的成熟程度是非常高的，基本上不需要工业化前的改进了。DeepTech：那么美国的充电桩准备好了吗？在中国的情况如何呢？王朝阳：我们的快充可以适应特斯拉新建的240千瓦充电站，其实这个充电速率超出了他们45分钟快充需求。另外，到今年年底，美国会新建2000个到2500个快充桩，充电功率为300千瓦到350千瓦，其资金来自大众的"柴油门"罚款。在中国，特斯拉也在准备建240千瓦的快充站。中国几家最主要的电池制造商都在关注我们的技术，因为这个技术相对比较简单，且比较成熟，我估计不久就会出现在中国市场。DeepTech：你们的"全气候"电池在助力2022冬奥会的进展如何？王朝阳：我们已经做过2年的冬季车队实验。2018年3月份在内蒙古做了第一轮冬季测试，这些实验一定要等到冬季最冷的时候去做，所以那时候要应对零下40度的低温。第二轮是今年1月份在内蒙古海拉尔，都非常成功。在国外，我们的全气候电池技术已经授权给了宝马等车企。DeepTech：你们的技术会用到智能手机上吗？王朝阳：手机上原则上也能用。但这里需要技术上更加成熟，以及更多的安全测试，毕竟人们对智能手机的电池安全性更为看重。DeepTech：听说你们的下一个目标是5分钟快充？王朝阳：5分钟快充是我们的终极目标。为什么是5分钟呢？因为如果5分钟能充好电的话，就会让车主有接近加油站加油的体验。当然5分钟充电有很多挑战，这就像让汽车的百米加速，从4秒到3.8秒的0.2秒提升都是一个巨大的进步。王朝阳简介（来源：宾夕法尼亚州立大学）王朝阳（Chao-YangWang），宾夕法尼亚州立大学机械工程系主任，机械工程、化学工程和材料科学与工程系杰出教授。他是宾夕法尼亚州电化学发动机中心（ECEC）和电池与储能技术（BEST）中心的创始董事。研究工作包括电池和燃料电池中的运输、材料制造和建模等方面。王朝阳拥有50多项专利（美国，中国，欧盟和日本）。他最近关于全气候电池（ACB）技术的研究发表在Nature杂志上，后来被2022年冬季奥运会选中，为奥运会的电动汽车提供动力。
