研究人員在寒冷天氣下實現電動汽車充電速度提高 5 倍

低溫對電動汽車 （EV） 電池性能的不利影響是眾所周知的。當前的電動汽車電池通過液體電解質在電極之間來回移動鋰離子來存儲和釋放電力。低溫會減慢離子的這種運動，從而降低電池電量和充電速率。

然而，一種新技術提供了一種有前途的替代方案，可以有效解決這些限制。

過去，為了延長續航里程，汽車制造商增加了電池中使用的電極的厚度。但這些解決方案只會讓事情變得更糟，因為進一步限制了快速充電能力，并在給定的電池重量下提供更少的功率。

實現可以在更短的時間內充電的高能量密度鋰離子電池將加速公眾對電動汽車的接受度。“即使對于積極的快速充電，為電動汽車電池充電也需要 30 到 40 分鐘，而在冬天，這個時間會增加到一個多小時。這是我們想要解決的痛點，“密歇根大學機械工程和材料科學副教授、發表在《焦耳》雜志上的研究的作者尼爾·達斯古普塔 （Neil Dasgupta） 說。

開辟電池電極制造新道路

據說一種制造電池電極的新策略可以在低至 -10°C 的溫度下在 10 分鐘內充電。 該戰略采用了由密歇根大學科學家開發的改進的電動汽車電池制造工藝，可以在寒冷天氣下實現高電池供電續航里程和快速充電。

該研究改變了電池的結構并調整了充電過程中發生的化學反應。這些改性可以對抗寒冷天氣引起的電解質液體變稠，從而減慢鋰離子的運動并延長充電時間。

“我們設想電動汽車電池制造商可以在不對現有工廠進行重大改變的情況下采用這種方法，”Dasgupta 說。

Dasgupta 教授和他的團隊開發了一種策略，利用固體電解質 （Li3BO3-Li 2CO3） 的原子層沉積，將 3D 電極結構與人工固體電解質界面 （SEI） 集成在一起。這些改性增強了低溫和快速充電下的質質傳輸和界面動力學，增加了厚電極的可訪問容量（>3 mAh/cm2）。

快速充電 100 次后保持容量

該團隊展示的結構和涂層防止了在電池電極上形成阻礙性能的鋰電鍍層。因此，經過這些修改的電池即使在非常冷的溫度下快速充電 100 次后也能保持 97% 的容量。

在 6C 的速率和 -10°C 的溫度下，這些集成電極在不鍍鋰的情況下循環 100 次后，可訪問容量提高了 >500%，容量保持率為 >97%。

此前，Dasgupta 的團隊通過在陽極（在充電過程中接收鋰離子的電極）創建尺寸約為 40 μm 的通路來提高電池充電能力。通過用激光噴射石墨來鉆穿石墨，使鋰離子能夠更快地找到停留的地方，甚至深入電極，從而確保更均勻的充電。

這顯著加快了室溫充電速度，但冷充電仍然效率低下。該團隊確定了問題：電極表面因與電解質反應而形成的化學層。達斯古普塔將這種行為比作黃油：無論是溫暖還是寒冷，你都可以用刀穿過它，但當天氣寒冷時，它要困難得多。如果您嘗試通過該層快速充電，鋰金屬會像交通擁堵一樣積聚在陽極上。

該材料可顯著提高寒冷天氣充電能力

科學家們在電池上涂了一層薄薄的硼酸鹽碳酸鋰——大約 20 納米厚。事實證明，這種材料有助于在寒冷天氣下將充電效率提高 500%。這些結構修改不僅加速了離子流動，還防止了有害的副反應，確保電池即使在結冰條件下也能發揮最佳性能。

該團隊在密歇根大學創新伙伴關系的協助下申請了專利保護。Arbor Battery Innovations 已獲得許可并正在努力將該技術商業化。Dasgupta 和密歇根大學在 Arbor Battery Innovations 中擁有經濟利益。

開發工廠就緒流程的后續工作由密歇根經濟發展公司通過密歇根轉化研究和商業化 （MTRAC） 高級交通創新中心資助。