如何滿足龐大的電動汽車市場？低成本長壽命高安全的熱調控磷酸鐵鋰電池來了
時間:2021-01-20 10:09來源:新能源Leader 作者:楊曉光 王朝陽
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圖1. 當前主流電動汽車電芯和電池包的質量能量密度和體積能量密度。
圖2. 傳統三元電池和磷酸鐵鋰刀片電池的電芯(a,c)和電池包(b,d)質量能量密度(a,b)和體積能量密度(c,d).
圖3. 搭載40kWh磷酸鐵鋰刀片電池包或傳統三元電池包的電動汽車在不同環境溫度下的續航里程。(a,c) UDDS測試標準，模擬城市路況；(b,d) US06測試標準，模擬高速路況。
熱調控磷酸鐵鋰電池
基于上述分析，本文提出了熱調控磷酸鐵鋰電池(TM-LFP battery)的概念。其核心是在車輛啟動或充電之前將電池由環境溫度快速加熱至60℃左右工作，關機后自然冷卻電池靜置在環境溫度。
熱調控帶來的第一個好處是實現10分鐘極速充電。電池快速充電的最大瓶頸是所謂的析鋰現象：在高電流或低溫充電時，鋰電池負極電勢可能降至0V以下，造成鋰離子在石墨表面以金屬形態析出，極大地影響電池壽命并造成安全隱患。圖4研究了不同溫度下磷酸鐵鋰和傳統NMC622電池的最大充電速率。可以看到，在25℃環境，磷酸鐵鋰電池最快可實現3C (20 分鐘)充電，但在0℃條件下，該電池只能實現0.7C (80分鐘)充電。相反，若升溫至60℃，該磷酸鐵鋰電池使用6C充電也無析鋰，且充電時間可降至10分鐘以內。因此，只要加熱速度足夠快，熱調控電池在任何環境溫度下都可以實現10分鐘快速補能。
圖4. 不同環境溫度下最大充電速率。(a,c,e) 電池電壓，(b,d,f) 負極電勢。負極電勢<0v會導致電池析鋰。
熱調控電池的第二大優勢是實現全氣候高續航、高功率。圖5a比較了在UDDS工況下搭載40kWh電池包的電動汽車續航里程。傳統NMC622電池和LFP刀片電池都是從滿電狀態(100%SOC)開始工作，而熱調控 (TM-LFP) 電池先從環境溫度加熱至60℃后再開始工作。基于本文作者此前開發的自加熱電池結構，每10℃電池溫升大概消耗1.35%SOC，意味著從-20℃加熱至60℃消耗10.8% SOC。可以看到，雖然在-20℃工況下TM-LFP電池加熱后只剩余89.2% SOC，其仍然可以提供>250公里的續航里程；而傳統三元電池包在-20℃下只能行駛100公里，磷酸鐵鋰刀片電池在-20℃下已幾乎無法工作。此外，溫度的升高將極大地提高電池的功率特性。如圖5b所示，即使在-20℃，TM-LFP電池在10%SOC下的功率密度仍然達到~1500W/kg，已經高于了歐洲汽車研發委員會(EUCAR)制定的動力電池在2030年的功率密度目標。更重要的是，該功率密度使得40kWh的電池包能夠擁有>300kW的峰值功率，意味著百公里加速可在3秒以內。
熱調控電池的最大挑戰是高溫工作引起的電池材料衰減，尤其是高溫會加速負極SEI的增長，引起容量的衰減。需要指出的是，熱調控電池只是在電池工作（汽車駕駛）時處于60℃高溫，在其他時間均處于環境溫度。以美國為例，根據美國汽車協會數據，美國人平均每天駕駛51分鐘，行駛31.5英里，意味著汽車只有3.5% (51分鐘/24小時)的時間處于行駛狀態，即熱調控電池在其生命周期內只有3.5%的時間處于60℃。圖5d展示了一款LFP商業電池在60℃環境存儲的壽命。可以看到，即使在100%SOC，該LFP電池在60℃的壽命可以達到660天。對于TM-LFP電池而言，假設汽車平均時速37英里(60公里每小時)，在60℃工作660天意味著總駕駛里程可達58萬英里(95萬公里)。因此，高溫工作并不會對電池壽命造成顯著影響。需要指出的是， LFP材料優異的熱穩定性使其非常適合高溫工作。
圖5. 熱調控電池(TM-LFP battery)實現全氣候a) 高續航里程，b)高功率，c)10分鐘充電。d)石墨-LFP電池在60℃、100%SOC下存儲的日歷壽命。
此外，由于SEI增長速率與石墨材料的比表面積成正比，作者提出使用低比表面積石墨材料以進一步提高電池壽命的策略。低比表面積石墨材料的最大問題是其會增大電池內阻而降低電池功率性能，而熱調控電池的高溫工作完美地彌補了這一不足，非常適合低比表面積的石墨材料的應用。如圖5d所示，若石墨比表面積降低一半(石墨粒徑增大一倍)，LFP電池在60℃存儲的壽命可延長至2315天，按照前述估計方法，采用熱調控電池的整車壽命有望超過320萬公里。
需要指出的是，熱調控電池在高溫工作使得電池與環境之間具有較大的溫差，可以顯著的降低電池熱管理系統的需求，從而進一步提高電池包的成組效率并降低電池成本。圖6匯總了上述傳統三元電池、磷酸鐵鋰刀片電池、熱調控磷酸鐵鋰電池的各項性能指標。可以看到，熱調控電池可同時滿足電動汽車的多項需求：低成本、高安全、高功率、快速充電、全氣候、長壽命，因此非常有潛力應用于未來面向大眾市場的電動汽車中。
圖6. 熱調控磷酸鐵鋰電池、傳統三元電池、磷酸鐵鋰刀片電池的性能指標雷達圖。
團隊介紹：
楊曉光：2014年4月博士畢業于上海交通大學動力工程及工程熱物理專業，師從鄭平院士。同年加入賓州州立大學王朝陽院士團隊開展博士后研究，2018年3月起擔任助理研究教授。研究方向側重于利用結構和工作策略創新以及電化學-熱-機械耦合仿真提高動力和儲能電池的快速充電能力、壽命、低溫性能等。以第一作者在Nature Energy, Joule, PNAS等國際頂級期刊發表多篇研究論文，研究成果被Science、Nature雜志以及全球多家主流媒體（USA Today，英國衛報、獨立報、每日郵報，法國法新社、費加羅報，德國圖片報、世界報，西班牙先鋒報、阿貝塞報，中國環球時報、參考消息等）報道。
王朝陽：美國國家發明家科學院院士，美國賓州州立大學機械工程William E. Diefenderfer講席教授，化學工程、材料科學與工程杰出教授，賓州州立大學電化學發動機中心（ECEC）和電池與儲能技術中心（BEST Center）主任及創始人，美國機械工程師學會（ASME）會士，電化學學會（ECS）電池分會執行委員，聯合國發展計劃署高級技術顧問。王教授在鋰離子電池和燃料電池技術方面擁有超過25年的研究經驗，在Nature，Nature Energy, Joule, PNAS, Sci. Adv., Energy Environmental Sci, JACS等期刊發表論文220多篇，總計被引量超過33,000次，H指數為102，是湯森路透評選的工程學高被引科學家之一。他發表在Nature上的關于全氣候電池（ACB）的研究被2022年北京冬奧運會采用，成為驅動奧運電動汽車的核心技術之一。
(責任編輯：子蕊)
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