Neil Canter博士，特约编辑，TLT Tech Beat 2023年2月，最初由TLT杂志出版。
根据美国能源部的说法，电池的快速充电意味着每公斤能量必须在150分钟内获得15瓦时的能量，并连续使用至少500个周期。
• 通过一种称为非对称温度调制 （ATM） 的技术，锂离子电池的充电速度更快 10 分钟。
• 该过程的关键是通过在电池结构中添加超薄镍箔来自我调节电池温度。
将具有与内燃机动力汽车相当的性价比的电池电动汽车商业化仍然存在挑战。虽然驾驶电池电动汽车的好处在显着减少排放方面是显而易见的，但还有其他与性能无关的因素需要考虑。
过去的TLT第1条强调了通过回收锂离子电池中存在的组件来提高电动汽车的整体可持续性的问题。特别是，阴极含有大量镍、锰和钴，这些都通过采矿（一种能源密集型工艺）获得。回收这些金属是一种最大限度地减少采矿需求的策略。镍、锰和钴的回收率超过90%，是通过结合湿法冶金和直接回收优势的闭环工艺实现的。用这些回收金属制备的电池在原始正极材料的测试中表现出优异的结果。
另一个影响消费者接受度的问题是电动汽车电池充电所需的时间。消费者希望充电过程在时间上与内燃机动力汽车的泵送燃料相当。
位于宾夕法尼亚州州立大学的EC Power Group Inc.首席技术官Brian McCarthy表示：“为电动汽车电池充电需要考虑三个指标。第一个参数是确定为电池充电需要多少分钟。第二个是确定在特定分钟数内向电池中添加了多少能量。最后，需要评估电池可以连续充电多少次而不会降低其性能。
随着电池快速充电成为目标，问题仍然是如何定义快速充电的含义。McCarthy说：“美国能源部（DOE）指出，快速充电意味着电池必须在150分钟内每公斤能量获得15瓦时的能量，并且能够连续至少500个周期。这样的电池应该能够在不充电的情况下为车辆供电至少320公里。
增加能量和减少充电时间会给锂离子电池带来更大的压力。McCarthy解释说：“锂离子电池在压力条件下（例如温度过低或充电速率过高）时会发生剧烈反应。原因是锂离子可能会卡在产生电镀锂的典型电池的石墨阳极内。这样的过程可能导致枝晶的形成，这可能会迫使短路导致火灾。
为了超越美国能源部的充电指南，现在已经开发出一种新方法，可以更快地为锂离子电池充电，而不会讨论任何负面副作用。
不对称温度调制
McCarthy和他的同事，包括宾夕法尼亚州立大学机械工程教授Chao-Yang Wang博士，已经能够在10分钟内为最先进的锂离子电池充电。使用的电池包含一个NMC 811阴极，该阴极由锂，镍，锰和钴的氧化物以及石墨阳极制备。
在10分钟内，达到了 70% 的充电状态，电池能够以这种速率充电 2000 次循环而不会降低性能。研究人员确定，这相当于800万公里的电池续航里程。
这种快速充电是通过一种称为非对称温度调制（ATM）的技术完成的。McCarthy说：“要成功进行快速充电，电池的温度必须在60-65°C范围内。但令人担忧的是，将电池长时间置于如此高的温度会加速老化，从而降低性能。目前加热电池的选项涉及使用液体冷却系统，该系统需要加热 30-45 分钟。这样的过程效率不高，会给电池带来额外的压力。作为替代方案，在电池结构中添加超薄镍箔（见图1）可快速自调节电池温度。该附加组件使电池能够快速加热到60-65°C之间进行充电，然后快速冷却到40°C以最大程度地减少老化。然后电池操作在环境温度下进行，这是需要最大化使用寿命的。
图1.锂离子电池能够在 10 分钟内快速充电，并且在 2000 次循环中表现出良好的耐用性，而不会降低性能。图由EC电力集团公司提供
使用ATM没有发现锂镀层，但McCarthy表示，需要进一步修改锂离子电池，以确保可以在不影响电池性能和安全性的情况下进行快速充电。他说：“我们发现电解质不仅含有标准的六氟磷酸锂，还含有双（氟磺酰）亚胺锂，有助于更快地充电。这种双盐电解质协同工作，确保在短时间内在60-65°C下进行快速充电。
锂离子电池含有含有大量镍、锰和钴的阴极。
另一个额外的改进是使用多孔石墨阳极。
麦卡锡指出，锂离子电池的更快充电是可行的。他说：“我们正在评估在更高的温度（75-80°C）下为锂离子电池充电的可能性，目标是在五分钟内完成。为了应对这一挑战，将需要一种新的电解质工程方法。
这项工作表明，温度调节可以从电池内部完成。Wang说：“一个重要的好处是商用电动汽车电池现在可以缩小尺寸，这将提高消费者的负担能力和接受度。
Additional information can be found in a recent article2 or by contacting McCarthy at bmccarthy@ecpowergroup.com.
1. Canter, N. (2022), “Performance of recycled cathode materials in lithium-ion batteries,” TLT, 78 (2), pp. 16-17. Available here.
2. Wang, C., Liu, T., Yang, X., Ge, S., Stanley, N., Rountree, E., Leng, Y. and McCarthy, B. (2022), “Fast charging of energy-dense lithium-ion batteries,” Nature, 611 (7936) pp. 485-490.
Neil Canter heads his own consulting company, Chemical Solutions, in Willow Grove, Pa. Ideas for Tech Beat can be submitted to him at neilcanter@comcast.net.
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