取消
1月10-12日，2020中国电动汽车百人会论坛在钓鱼台国宾馆隆重召开。本次论坛围绕“把握形势 聚焦转型 引领创新”主题，邀请政府有关部门和汽车、能源、交通、城市、通讯等领域的行业机构和领先企业代表，就行业、企业、政策的转型与创新展开深度研讨。以下是宾夕法尼亚大学讲席教授、美国国家发明家科学院院士，王朝阳在本次论坛上的发言：
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。
敬请关注【盖世直播】中国电动汽车百人会论坛（2020）
https://m.gasgoo.com/news/topic/223
提示：本文根据发言整理，未经专家审核，请勿转载。
