150Ah棱柱电池封装的电化学—热耦合模拟。

　　“充电1小时、等待N小时”，这是电动汽车出行的侧面写照。一直以来，充电速度是制约电动汽车大规模普及的最大挑战，消费者对购买电动汽车普遍存在“补能焦虑”。
　　那么，有没有便捷的办法可实现快速充电呢？近年来，欧美等国加速建设超高功率充电桩，大力发展极速充电技术（eXtreme　Fast　 Charging，XFC）。在中国，《新能源汽车产业发展规划》中也明确提出，“加强智能有序充电、大功率充电、无线充电等新型充电技术研发”。
　　然而，当前主流电动汽车的充电速度最快仍需 45~60分钟，这离人们理想中的“快速充电”相差甚远。
　　近日，美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳团队在XFC技术领域取得了重要进展。他们首次实现了高能量密度锂电池（265Wh/kg）的10分钟极速充电，且循环寿命高达2000次以上。这相当于50万英里（80万千米）的里程，并且每次都以快速充电的方式进行能量补充。
　　王朝阳表示：“10分钟快充电池技术配合无处不在的快充桩，将是动力电池小型化，并解决电池供应、原材料匮乏和新能源汽车成本的最有效手段。”
　　此外，该研究还首次揭示了高比能动力电池极速充电只需要空气冷却，从而大大提高了电池系统的集成度、可靠性、安全性。值得关注的是，该研究中的所有实验都使用的是现有的工业级量产化电池材料，因此可快速在商业化动力电池产品中应用。
　　10月12日，相关论文以《高能量密度锂离子电池的快速充电》（Fast charging of energy-dense lithium-ion batteries）为题发表在Nature上。
　　该论文第一作者兼通讯作者是宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系讲席教授王朝阳，共同通讯作者为美国EC Power公司布莱恩·D·麦卡锡（Brian D. McCarthy）。
　　当前，全球共同面临高比能动力电池极速充电的难题。高倍率充电条件下，动力电池的负极容易发生“析锂”现象，严重制约着电池寿命，并很有可能引发安全事故。特别是，随着能量密度的提高，电池内部离子传递恶化，使得“析锂”极易发生。
　　要想实现电池的快速充电，必须同时通过三个指标的评估，即充电时间、获得的比能量和快速充电条件下的循环次数。
　　王朝阳是电池极速充电技术的开拓者，其团队在2019年提出了一种非对称温度热调控的方法，并实现了动力电池极速充电的最好实验结果——210Wh/kg。
　　经过三年的沉淀，在这次的新研究中，王朝阳带领团队采用一种双盐耐高温电解液。通过这种双盐耐高温电解液与热调控方法的有机结合，使265Wh/kg锂电池极速充电（10分钟内充入75%）成为可能，并具备超过上千次的循环寿命，再次创造了动力电池极速充电的新纪录（包括充电时间、获得的比能量和循环寿命）。
　　具体来说，当充电至75%充电状态时，锂电池持续逾900个循环（相当于40万千米的里程）；如果充电状态降低至70%，则持续2000个循环（约80万千米里程）。
　　除了非对称温度热调控的方法，该研究还发现，耐热、安全的电池材料更适合快充。“并且，该技术首次实现了快充和高安全性的‘一举两得’，这是目前其他快充方法无法做到的事。”王朝阳说。值得关注的是，高比能电池的极速快充不需要液冷，而只需空气冷却就足够。
　　仅在快速充电期间产生高活性电化学界面的快速热调控方法，具有为下一代材料同时提供的稳定性和快速充电的重要潜力，包括硅和锂金属等阳极。
　　除了实现优秀的性能指标，该团队也积极推进技术的产业落地。据了解，目前该技术的产业化由EC　 Power公司以授权或合作生产的方式进行中。王朝阳表示，“该技术最快实现大规模使用应该在1~2年内。”
　　未来，该团队将聚焦实现更高能量密度锂离子电池（300Wh/kg）5分钟极速充电。 （麻省）