作者:王朝阳等 来源:《ACS能源快报》 发布时间:2024/2/2 14:10:41
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磷酸铁锂超级电池实现10分钟充电80%

 

2024年2月1日,美国宾州州立大学王朝阳教授(美国国家发明家科学院院士)团队在ACS Energy Letters期刊上发表了一篇题为“Lithium Iron Phosphate Superbattery for Mass-Market Electric Vehicles”的研究成果。

该成果报道了一种能在任何温度下快速补能的磷酸铁锂超级电池(Lithium Iron Phosphate Superbattery)。通过在电池内部置入超薄镍片并使用LiFSI盐,该电池将工作温度区间拓宽至-50到+90°C,并实现在任何环境温度极速充电。在环境温度-60°C时通过4分钟预热、8分钟充电从零至80%电量(6C充电),循环1000圈仍有93.4%的电量。该工作为大众市场的电动汽车提供了基于磷酸铁锂的超级动力电池。论文通讯作者是王朝阳和史菲菲;第一作者是廖杰。

随着交通电动化的不断推进,电动汽车已经向大众市场进军。然而,要真正代替燃油车的话,电动汽车必须要解决三大痛点:里程焦虑、充电焦虑以及价格昂贵。尽管磷酸铁锂电池具有成本低廉、原材料丰富、安全性高等优点,但磷酸铁锂能量密度低,续航短,低温性能差,充电慢,这些极大地限制了电动车在地域(北方)和时间(冬天)上的推广应用。

在这项工作中,王朝阳团队通过在一个11Ah的电池中置入两片超薄超轻的镍片以及使用LiFSI盐,发展了一个磷酸铁锂超级电池。体积能量密度仅降低0.45%,质量能量密度仅降低1.65%。该电池在60℃环境中能稳定循环6100小时。低温环境下当电池有电时,电池可自加热。譬如在-50℃条件下,3分钟即可把电池加热至+15℃,使之正常使用。在冬天电池需要充电时,即使环境温度低至-60℃,可用充电桩的能量把电池快速预热(约4分钟),然后进行极速充电,8分钟即可充至80%电量。该电池在室温下,通过快速预热可实现2500圈极速充电,等效640,000公里的里程或33年使用寿命,远超目前市场上的多数燃油车。

该超级电池可在任何气候条件下实现10分钟补能至80%电量,从而消除了续航和充电焦虑,同时可在严寒(-50℃)酷暑(90℃)中工作。

图1:高温循环稳定性。(a)电池的容量保持率随时间的变化;(b)容量损失随时间的1/2次方的变化;(c)电池直流电阻随循环时间的变化。

图2:电池自加热过程:(a)不同温度下电池的直流内阻;(b)自加热电池的示意图;(c)正极与ACT之间的开关打开后,电池电压和电流随时间的变化;(d)开关打开后,镍片温度和电池表面温度随时间的变化;(e)不同环境温度下,自加热过程中电池表面温度随时间的变化;(f)不同环境温度下,自加热消耗电量随电池表面温度的变化。

图3:自加热后电池功率和能量的增加。(a)在有或无自加热的情况下,电池在不同温度所能提供的最大功率;(b)在电池自加热和放电过程中,电池的电压和表面温度的变化曲线(c)在有或无自加热的情况下,电池在不同温度所能释放的电量;(d)不同环境温度下,电池所需的自加热量/释放的能量及激活时间。

图4:不同环境温度下,快速预热及6C极速充电。(a)(c)温度和电压随时间的变化关系;(b)(d)通过镍片的电池(用于加热)和通过电池的电池(用于充电)和时间的变化关系。

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图5:极速充电下电池的循环寿命。(a)电池的电量随循环圈数的变化曲线;(b)环境温度为-60°C时,电池的最大充电电压和充电时间与循环圈数的关系;(c)电池的直流内阻随时间的变化曲线;(d)环境温度为-20°C时,电池的最大充电电压和充电时间与循环圈数的关系。

(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c02823

 
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