王朝阳:解决用户体验痛点的动力电池新技术
发布时间:2018-05-22 16:44:00
关键词:CIBF2018

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5月22日,CIBF2018 第十三届中国国际电池技术交流会展览会在深圳会展中心开幕。美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳教授在技术交流会上发表主题演讲。以下是演讲正文:


我想说一下解决用户痛点的动力电池的新技术,之前的演讲嘉宾来自于三星,他们都已经讲到了主要的观点,包括客户的痛点,我觉得新能源汽车已经非常成功,但是我们还是有些问题可以解决。我们现在有些主要的市场,要注意主要的市场。在此,我想要从一个点到基本面的研究和大家分享一下我的研究成果。在这里,我会和大家来强调一些电池方面的创新技术。看一下电动车方面所有可能的创新技术。


首先和大家分析一下痛点是什么,然后会讨论全气候动力汽车的环境实验,我们叫ACB。我会和大家说一下我们的进步。另外会聊一下快充电池,简称FCB。如果我有足够的时间,我还想说一下长寿命的电池,简称LCB。我觉得这三点可以结合起来。最后要和大家分享我们所用的非常强有力的工具,可以用它来更好的帮助我们做研究,叫AutoLion,最后是小结和展望。


这个照片是全气候动力电池极寒环境的试验。我们在不同的平台上都进行了检测。我的PPT有些是中文,有些是英文,我觉得大家都会理解的。


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从用户角度而言,他们仍旧有很多体验方面的痛点,比方说续航里程特别短,成本太高,寿命太短。同时太不安全,这些是比较主要的问题,如果在表现而言,它也不是那么尽如人意。我们看一下图片,来自特斯拉,他们从0到100米5秒中达到的速度,这对于电动车而言是非常好的表现。但是这种快速的发展仅仅是在室温或者常规的角度而言,如果我们看到电池的功率,它里面有电阻,它的内组随着温度的降低也在升高,零下20度到30度可能有9倍的电阻,所以整个电池损耗是非常高的。你用真实的充电情况,比方说零下20度是非常慢速的骑车,他们会说车移动太慢,不要着急。另外一个体验是充电方面的问题,一旦聊到快速充电、超快速充电,这个图片是一个产品的宣传图,大家可以看到,他们可以在室温当中进行快速充电。如果在0度以下、10度以下,充电的时间就会极大的增长。


在现实当中,如果有真正的快充,就会比较好,如果现在充电,充电站就变成停车场。对于拥挤的大城市而言,快充确实是比较好的方式。另外可以想一下加油站,加油站并不依赖于外温,我们没有这样的感觉。对于电动车而言,你的充电是对于室温、外温依赖度很高。我们所需要做的研究是进行全气候的电池研究,那就是让电动汽车去燃油车能去的地方,做燃油车能做的事情,我们需要非常一致的开车体验,解决用户体验的痛点,让电动汽车打动化的电池技术。这个技术让你和做燃油车一样的事情。


这样的理念是非常简单的,你会有非常常规化的电池。有镍,有镍铂,连接到正极、负极,就完全可以控制你自己的室温充电。每分钟的充电速率可以达到100-200,它是完全超传统化的技术,而另外的加热的技术是从内至外的,是非常快的。有这样的技术,你可以做很多的事情。当然,你所需要消耗的能量也是非常少的。我们是两年之前发现了,我们在Nature上有些发表。比如零下20度进行自加热,大概只需要12.5秒进行自加热,就可以达到快速充电。零下30度也是30秒下可以进行自加热,加热到电池可以充电。对于零下40度、50度都是这样子的,它是非常简单的结构,但是非常有用。在此,你完全没有等待时间,我们是有这种算法能够看到宽温差的处理是什么样的,如何在相对低温的环境之下去进行充电,然后你在开车的时候,停下的时候,就让电池休息一下。所有的电流就会进入镍铂当中,电池会很快升温。当你开车的时候就会进行自加热,大概达到20摄氏度,会达到日常充电的状态。比方说从0度到20度,大概只有13秒。即使在零下40度,只是在2分钟内就完全可以达到最佳的状态。达到最佳状态的时候,就可以有很好的表现了。比方现在ECB用的LIB,就实现了零下30度80%的室温巡航范围。


在未来,如果能够继续用更多好的能量密度电池,我们可以把比例提升到92%,所以室温不再影响充电。我们要知道加热的过程中,损失的能力还会更少,这是非常简单的技术能帮助我们解决温度敏感的问题。另外,我们还可以做内部功率增强,这条黑色的线是传统的锂电池,如果你用零下20度的例子,比方最开始是零下20度,SOC是100%,用10秒之后,你可以用到的功率很低,你用自加热,在10秒内,内部的温度就从零上10度,SOC变成97%,所以在后来的方面,你的功率和传统的锂电池功率是一致的。这是我们所需要的功率。当然,对于不同的电池而言都会有不同的表现,它可以表现的非常快。就好像是以传统的方式来进行快速的充电,当然,你还可以用一些其他的实验,比方说快速充电。这是非常典型的CCCV算法,我们可以假设室温是T1,我们做快速充电,用自加热的方式提升到T2,我们可以看到它的极化,自有电压也会有些提升,我们可以做CV,在这里看到用CCCV,观察完全一样。如果我们想要改善这种传统的方式,我们要在CCCV之前加一个自加热,在充电之前再自加热,我们有这样的结构,一旦这个电池有这样的方式,我们叫ACT,那就是激活的过程,那就可以去进行自加热,也会把T1到T2的温度一下提升了。你把温度开关关掉,它的温度又回到正常,它在加热的过程当中,温度就是保持在T2,你的电池加热的方式,它的电压就会增强,我们把它叫HCCV,即充电之前进行加热的方式。


这是非常容易的算法方式,可以应用到不同的场合当中。我们可以在任何温度当中进行15分钟保证充电的方式,比方说0度甚至零下50度的温度进行15分钟的快速充电。另外,我们可以看一下前面的变化不太多,其实是在进行自加热。所以它的电压是保持一致的,如果我们从30秒到70秒,这是取决于周围温度,我们也就可以看到它的温度达到理想的状态,我们把这个开关关掉,就可以进行快速充电。如果我们看到总体的充电时间和加热的时间,可能0度是30秒,如果零下20度大概是46秒,这种预加热总体的时间其实就是蓝色的柱子,它和周边的温度差别并不是特别大,从0到负50度这是非常大的温幅,这是我们共同的算法。它的运算形式非常好。


我们看一下它的循环寿命,我们看一下它的基线,如果你做3C的25摄氏度,只要做几个循环,你可以做10度的3NC,可以做0度的3.5C,可以到达室内温度是2500,如果用FCB,可以类比3.5C,这个是0摄氏度的环境温度,我们做这样的循环,我们用红色的点来表示,它的循环的数量在增加。在更快速的充电,极端快速的充电就是10分钟 6C到80%的电量,我们把它称之为极端的快充项目,这是美国能源部提出来的,正在实施。室内温度是20-25摄氏度,我们想加快这样的过程。T2加高的温度是40-60摄氏度。红色的曲线是电池温度的变化,我们需要25秒钟来把它进行电池的自加热,25秒钟,然后把它关掉,做6 个C的充电,能够到达60%,10分钟就可以6个循环,就可以到达80%。这里的温度提升非常小,这给我们展示的是我们的电池性能非常棒,有非常好的性能。当容量到80%,经过6个C,这是我们循环的图片、循环的剖面,经过很多循环以后,大家可以看到电池的温度很快可以下降,一旦快充结束的时候,电芯的温度也可以很快下降,周边的空气冷却也是非常的快。循环寿命可以到3000,我们可以看一下6C充到80的情况,到2.7V,我们可以到1000个循环,每个循环会有300Km,这是非常快速充电的情况。FCB适合所有周边温度,并且保证各种各样的应用场景。


这是极端快速充电的情况。自我加热的结构创造了一个温暖的条件,能够激活最动态的充电倍率,它的性能就可以得到一个非常好的提升。和传统的锂电池相比,它的充电后的温度会有很快的回温,很多人会问,你如何应对这样的循环周期?你的材料暴露在高温当中,有0.3的时间,更多的是周边的温度。电池暴露的时间是0.3到提高的问题,99.7的周边温度。使用了这种技术,我们会有一种新的概念,可以把它变成现实,这就是移动充电车。最早,这个概念是写在纸上,完全无法实现。因为我们有冷车低于10度如何处理,但是FCB的汽车在任何时候都可以实现。


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长的寿命周期的电池会超过很多的公里,它可以持续50年,可以转变为1M公里,电池的寿命是超过50年。高能量EV的电池是220-240每公斤的瓦时,现在是三到四千的周期。现在LCB是65-30-15,锂电池是195、90到120,一年后,我们会发布这个技术。我们通过计算,能够实现15,这是非常小的计算。我们需要1500个,我说的是这些数值。


发展非常快,中国的发展令人吃惊。我刚刚说的是高能量的电池是220到240,瓦特小时每公斤,它可以到达三四千的循环。现在对商业化的应用还有很多空间,比如2018年春节前要完成低温赛区的试验,2019年到2020年有示范考核的情况要把它完成。现在FCB的电池是在一些小车上,在公车上进行测试。我们有全面在外部的充电站,这个是72小时,所有的汽车是浸泡在零下40度的温度当中,没有任何保持温度的做法。这种新能源车10分钟就像正常的车一样开走,它的加速赌是每小时0-100公里,同时实现快充。顺丰有很大的队伍来推动这样的技术。


宝马推广的技术,这是全耐候性的电池,是宝马车发布的。


AutoLion3,是由GT公司发布的,来自PE基金,它现在变得越来越快。

总结,我们发现锂电池可以自我加热,非常快,而且非常一致的进行加热,它可以创造一个模式的转变在能源、在电力方面,可以急需到达高的电力,是可期的,是能实现的,而且是可调的,它是快速、均匀自热电池。我们还可以调整它的电化学界面,这样可以通过热刺激打开无限的机会,它是可信赖的。在寿命、成本等等方面都是非常好的。


提问:听上去是很好的技术。如果真的可以落地,那我们都会失业,如何看待未来技术的发展?


王朝阳:非常好。这就是我所想到的,在现实中也要看到,很多东西要落地需要花很多时间,所以我们必须耐心,我们要将实验室的结果变成商业的产品,它是需要花时间的,我们需要做很多的验证、很多的测试,还包括很多的电动车的测试,比如在冬奥会的试运行,我们有很多的电动汽车,很多车跑3-5年才能确定每件事已经确定。作为应用要花很多时间,但是现在确实看到一些早期的技术采纳者,我们现在有更多早期的采纳者宣布他们会采纳更多先进的技术。


提问:这是非常令人印象深刻的描述,这是非常快的一种快充方法,当您说到15分钟充电时间在全天候的充电,这是完全充电的方式吗?第二个问题是自发热的情况是非常低的温度,你会不会产生什么不好的情况?


王朝阳:FCB的循环寿命非常长,我们注意到这方面的剖面图,像SCI膜的情况。一旦你有能力提高内部的电芯温度,我们可以控制温度。我们说的电解质的设计是在低温设计,我们说的是一般正常的电解质应用,并不是低温专门设计的。作为户外的,这似乎像魔力一样,我们有充电相关的数据,我们可以在室外充到100度,这些电解液都已经冻在一起,但是充电过程中,并不是来自于电芯,不管温度有多低,仍然有电源可以让电解质升温。


提问:你是不是会看见第一秒或者十秒出现电伏下降的情况?


王朝阳:我们有一个开关,我们不会触碰任何材料在预加热的过程中,我们有一个内部的加热器,所以不会看到电压的变化。


(根据速记整理,未经嘉宾审阅)


稿件来源: 电池中国网
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