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      阿貢的電池研究著眼于未來快速充電

      放大字體  縮小字體 發布日期:2022-03-15
       電動汽車司機將減少在充電站的時間,因為電池可以快速補充能量。

      許多考慮購買電動汽車的司機都會問一個關鍵問題:電池充電需要多長時間?在長途旅行中,中途停留可能需要30多分鐘,這取決于充電器。美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室的科學家正在研究加速充電的技術——這是加速電動汽車(EV)廣泛采用和減少溫室氣體排放的重要一步。

       

      通過Argonne的XCEL計劃進行的研究已經將能量密度增加了50%,或者說電池的行駛里程增加了50 %,這是通過快速充電實現的。(圖片由Smile Fight/Shutterstock提供)

      長途旅行能力不僅對通勤者和公路旅行者很重要。美國經濟在很大程度上依靠卡車運輸貨物,而該行業需要為未來的電氣化車隊提供快速充電時間。改善儲能將使車隊電氣化成為可能。

      XCEL Lead Venkat Srinivasan說:“我們正在進入電動汽車和卡車必須快速充電階段,這不是一個好現象。”

      如今,阿貢正在努力解決快速充電障礙,目標是充電時間不超過15分鐘。鋰離子電池快速充電電池(XCEL)新方案涉及美國能源部愛達荷國家實驗室(DOE’s Idaho National Laboratory), 勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory), 橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory),SLAC國家加速器實驗室(SLAC National Accelerator Laboratory)和國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory)。

      快速充電:清潔能源未來的必然選擇

      阿貢能源儲能科學合作中心(ACCESS)主任兼XCEL負責人Venkat Srinivasan說:“我認為,每家汽車公司都在考慮快速充電的重要性。”Venkat Srinivasan提出了一個非常重要、改變游戲規則的計算機應用程序的概念。他還說:“我們已經進入了電動汽車和電動卡車快速充電的時代,這不是一個好現象。”他補充,隨著飛機越來越依賴電力,快速充電對于可持續的航空業也至關重要。

      2017年開始,通過XCEL新方案的研究,已經在實驗室中驗證了快速充電可將電池的能量密度提高50%。下一階段的工作將在2026年之前實現類似的收益。實踐中,就當前的技術而言,電動汽車只需要充電10分鐘就可以行駛90英里。而在未來,電動汽車可在路上行駛180英里。

      快速充電道路上的減速措施

       

      目前的鋰離子電池在快速充電方面面臨三大挑戰。第一個挑戰是電池在壓力下會破裂。第二個挑戰是電池產生的熱量過快,從而縮短了它們的壽命。

      第三個也是最具有挑戰性的是鋰鍍層現象。當電池充電時,鋰離子(帶電荷的原子或分子)穿過一種叫電解質的液體介質,從正極移動到負極??斐浠蛞痣x子堵塞,鋰將會在負極外永久堆積。這會縮短電池壽命,還會造成安全隱患。

      開始解決這些問題之前,需要先發現這些問題,這是在電池研究領域的另一障礙。拆卸一塊電池,觀察是什么引起的故障,但這可能需要數百次的充電周期后才能發現。故障是在什么時間什么情況下發生的呢?電池在遇到故障后還能維持多久呢?如果不能長時間觀察電池的運行情況,這些問題就更難回答了。

      XCEL科學家已經獲得了一個特別的工具??茖W家們使用先進光子源(APS)的X-ray,先進光子源是阿貢的能源部科學辦公室用戶設施。在APS眾多實驗室之一11-ID-B,研究人員觀察一系列在不同充電狀態下的電池。X-ray高能使研究人員能夠穿透整個電池,不過X-ray的通量加快了數據的收集,使科學家能夠跟蹤充電過程中的能量傳輸速率。 

      阿貢電化學家Kamila Magdalena Wiaderek說:“可以在其他地方進行這種類型的室驗,但APS的高強度光束可將測量時間從幾天縮短至幾分鐘,從而可以跟蹤與快速充電相關的電池性能不均勻。”

      Wiaderek正在研究電池的不均勻性,鋰離子電池的某些部分比其他部分的工作效率更高。Wiaderek與同事使用APS在電池充電和放電時檢查電池,并記錄不均勻性的原因,包括快充期間出現的問題。他們正在通過實驗詳細說明鋰鍍層的方式、地點和時間,以及原子級上的其他變化。

      APS升級將使該設施產生的X-ray比目前產生的X-ray強500倍,在未來加強XCEL研究,進一步縮短數據收集的時間。

      Wiaderek說:“改善光束質量將使我們能夠更好地觀察電池運行時發生的快速過程。更快的收集數據將使我們能夠使用我們目前無法實現的技術來觀察正在運行的電池。”

      在CAMP工廠制造電池

      為了一個接一個測試和檢測電池,研究人員需要一個穩定的電池。他們是從阿貢的電池分析、建模和原型制作(CAMP)工廠獲得的 ,該工廠生產符合行業要求的電池電極和電池原型。這些原型的容量大約是磅秤上的紐扣電池(硬幣大?。┑?00倍。這將有助于縮小實驗室發明和商業規模生產之間的差距。

      負責CAMP工廠的高級化學工程師Andrew Jansen說:“對于一家公司來說,將一個可能在學術論文中讀到的研究想法,并將其擴大到可以在其生產線中運行的程度,是一項非常重大投資。在CAMP,我們通過設備和組建與行業內使用的非常相似。”

      該工廠的生產工具置放在一間干燥的房間內,始終保持低于百萬分之一百的濕度。之所以需要極低濕度,是因為空氣中的水會與電池電解質中的鹽發生反應,產生有害的酸。Jansen補充,CAMP的員工是經過培訓的,可以通過獨特的技能和技術將電池從原型轉移到產品。

      Jansen說:“在美國,CAMP是新電池化學公司進一步邁向商業化生產的機會。”

      鋰離子電池不一定是加速快速充電的唯一儲能類型,但它們是主導類型。阿貢和能源部實驗室網絡的一些研究集中在固態電池和其他創新上,最終可能用地球上豐富的離子取代傳統的鋰離子。Srinivasan說:“雖然我們在未來十年還將繼續駕駛鋰離子電池的汽車,但我們希望同時擁有一系列的新技術。”

      此外,除了在能量密度和電池監測方面取得進步,XCEL研究人員已經能夠減少正極材料在快速充電過程中發生的開裂。他們也開發了新的電解質,有助于更有效地將鋰離子運送到電池上,并防止鋰鍍層。

      這種進步是因為阿貢的團隊和公司之間有一個多學科的研究循環:以分鐘為單位監測電池、開發原型并測試,然后開始重新循環。

      Srinivasan說:“我們要從根本上解決快速充電的問題,XCEL表示讓我們更深層地了解電池到底發生了什么。這種了解可以讓我們對下一步做什么有更多的主意,我們可以設法找到解決辦法。”

       

      中國化學與物理電源行業協會  楊柳翻譯

      2022.3.14

       
      關于我們:中國化學與物理電源行業協會(China Industrial Association of Power Sources,縮寫:CIAPS) 是由電池行業企(事)業單位自愿組成的全國性、行業性、非營利性的社會組織。協會成立于1989年12月,現有530多家會員單位,下設堿性蓄電池與新型化學電源分會、酸性蓄電池分會、鋰電池分會、太陽能光伏分會、干電池工作委員會、電源配件分會、移動電源分會、儲能應用分會、動力電池應用分會和電池隔膜分會等十個分支機構。
      本會專業范圍包括:鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、氫鎳蓄電池、鋅錳堿錳電池、鋰一次電池、鋰離子電池、太陽電池、燃料電池、鋅銀電池、熱電池、超級電容器、溫差發電器及其他各種新型電池、電池系統解決方案,以及各類電池用原材料、零配件、生產設備、測試儀器和電池管理系統等。

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