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锂离子电池的设计可以在10分钟内为电动车充电

资讯 2019-12-18 16:13:29

科学家开发了一种锂离子电池,其在升高的温度下充电,以增加反应速率,但在放电期间保持电池冷却,显示在10分钟内将200英里的驱动范围添加到电动汽车的可能性。如果按比例缩放,则设计是一个潜在的策略,以缓解所有电动汽车缺乏足够的巡航范围以安全地到达目的地而不停车中间行程的顾虑。宾夕法尼亚州立大学的研究人员在Joule杂志上发表了10月30日的工作。

科学家们已经认识到需要设计能够极快充电的电动汽车电池,以满足司机的需要。然而,如此迅速的充电速度将需要电池迅速吸收400千瓦的能量,而目前的车辆无法完成这一壮举,因为它有电镀锂(阳极周围形成金属锂)的风险,这将严重降低电池寿命。

虽然传统的锂电池是在相同的温度下充电和放电的,但研究人员发现,他们可以通过在60摄氏度的高温下充电几分钟,然后在较冷的温度下放电来规避锂电镀问题。

宾夕法尼亚州立大学的机械工程师王朝阳说:“除了快速充电外,这种设计还允许我们限制电池暴露在高充电温度下的时间,从而产生很长的循环寿命。”关键是要实现快速加热;否则,电池会在高温下停留太久,导致严重退化。

为了缩短加热时间,并在均匀温度下加热整个电池,王和他的同事们为锂离子电池设计了一种自热镍结构,预热时间小于30秒。为了测试他们的模型,他们为混合动力电动汽车设计的三个石墨袋电池充电到40摄氏度、49摄氏度和60摄氏度,以及控制在20摄氏度,使用各种冷却策略来保持恒定的充电温度。为了确认没有发生锂电镀,他们随后将电池完全释放并打开进行分析。

王和研究小组发现,预热到60摄氏度的电池可以维持1700个周期的极快充电过程,而控制电池只能保持60个周期的速度。在平均充电温度在49到60摄氏度之间,这项研究没有观察到任何锂镀层。研究人员还观察到,充电温度的升高大大降低了维持电池初始温度所需的冷却--控制电池产生3.05瓦特小时,而60摄氏度的电池只产生1.7瓦时。

"过去,普遍相信锂离子电池应避免在高温下操作,这是由于加速副反应的关注,"说,"该研究表明,在暴露时间有限的高温下减轻锂镀层的益处远大于与加剧的副反应相关的负面影响。"........

研究人员注意到,该技术完全可扩展,因为所有的电池都基于工业上可用的电极;它们已经证明了它在大规模电池、模块和电池组中的应用。该镍箔增加了每个电池的成本,该电池的成本比现有模型中使用的外部加热器更高,但由于该设计消除了对使用在电流模型中的外部加热器的需要,所以它实际上降低了生产每个电池组的成本。

接下来,王的团队正在计划进一步设计他们的设计。

他说:“我们正致力于在五分钟内充电一个能量密集的电动汽车电池,而不会损坏它。”“除了我们发明的自热结构外,这还需要高度稳定的电解质和活性物质。”

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