许多考虑购买电动汽车的司机都会问一个关键问题:电池充电需要多长时间？在长途旅行中，中途停留可能需要30多分钟，这取决于充电器。美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家正在研究加速充电的技术——这是加速电动汽车(EV)广泛采用和减少温室气体排放的重要一步。
通过Argonne的XCEL计划进行的研究已经将能量密度增加了50%,或者说电池的行驶里程增加了50 %,这是通过快速充电实现的。（图片由Smile Fight/Shutterstock提供）
长途旅行能力不仅对通勤者和公路旅行者很重要。美国经济在很大程度上依靠卡车运输货物，而该行业需要为未来的电气化车队提供快速充电时间。改善储能将使车队电气化成为可能。
XCEL Lead Venkat Srinivasan说：“我们正在进入电动汽车和卡车必须快速充电阶段，这不是一个好现象。”
如今，阿贡正在努力解决快速充电障碍，目标是充电时间不超过15分钟。锂离子电池快速充电电池（XCEL）新方案涉及美国能源部爱达荷国家实验室（DOE’s Idaho National Laboratory）, 劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）, 橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）,SLAC国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）和国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）。
快速充电：清洁能源未来的必然选择
阿贡能源储能科学合作中心（ACCESS）主任兼XCEL负责人Venkat Srinivasan说：“我认为，每家汽车公司都在考虑快速充电的重要性。”Venkat Srinivasan提出了一个非常重要、改变游戏规则的计算机应用程序的概念。他还说：“我们已经进入了电动汽车和电动卡车快速充电的时代，这不是一个好现象。”他补充，随着飞机越来越依赖电力，快速充电对于可持续的航空业也至关重要。
2017年开始，通过XCEL新方案的研究，已经在实验室中验证了快速充电可将电池的能量密度提高50%。下一阶段的工作将在2026年之前实现类似的收益。实践中，就当前的技术而言，电动汽车只需要充电10分钟就可以行驶90英里。而在未来，电动汽车可在路上行驶180英里。
快速充电道路上的减速措施
目前的锂离子电池在快速充电方面面临三大挑战。第一个挑战是电池在压力下会破裂。第二个挑战是电池产生的热量过快，从而缩短了它们的寿命。
第三个也是最具有挑战性的是锂镀层现象。当电池充电时，锂离子（带电荷的原子或分子）穿过一种叫电解质的液体介质，从正极移动到负极。快充或引起离子堵塞，锂将会在负极外永久堆积。这会缩短电池寿命，还会造成安全隐患。
开始解决这些问题之前，需要先发现这些问题，这是在电池研究领域的另一障碍。拆卸一块电池，观察是什么引起的故障，但这可能需要数百次的充电周期后才能发现。故障是在什么时间什么情况下发生的呢？电池在遇到故障后还能维持多久呢？如果不能长时间观察电池的运行情况，这些问题就更难回答了。
XCEL科学家已经获得了一个特别的工具。科学家们使用先进光子源（APS）的X-ray，先进光子源是阿贡的能源部科学办公室用户设施。在APS众多实验室之一11-ID-B，研究人员观察一系列在不同充电状态下的电池。X-ray高能使研究人员能够穿透整个电池，不过X-ray的通量加快了数据的收集，使科学家能够跟踪充电过程中的能量传输速率。
阿贡电化学家Kamila Magdalena Wiaderek说：“可以在其他地方进行这种类型的室验，但APS的高强度光束可将测量时间从几天缩短至几分钟，从而可以跟踪与快速充电相关的电池性能不均匀。”
Wiaderek正在研究电池的不均匀性，锂离子电池的某些部分比其他部分的工作效率更高。Wiaderek与同事使用APS在电池充电和放电时检查电池，并记录不均匀性的原因，包括快充期间出现的问题。他们正在通过实验详细说明锂镀层的方式、地点和时间，以及原子级上的其他变化。
APS升级将使该设施产生的X-ray比目前产生的X-ray强500倍，在未来加强XCEL研究，进一步缩短数据收集的时间。
Wiaderek说：“改善光束质量将使我们能够更好地观察电池运行时发生的快速过程。更快的收集数据将使我们能够使用我们目前无法实现的技术来观察正在运行的电池。”
在CAMP工厂制造电池
为了一个接一个测试和检测电池，研究人员需要一个稳定的电池。他们是从阿贡的电池分析、建模和原型制作（CAMP）工厂获得的 ，该工厂生产符合行业要求的电池电极和电池原型。这些原型的容量大约是磅秤上的纽扣电池（硬币大小）的100倍。这将有助于缩小实验室发明和商业规模生产之间的差距。
负责CAMP工厂的高级化学工程师Andrew Jansen说：“对于一家公司来说，将一个可能在学术论文中读到的研究想法，并将其扩大到可以在其生产线中运行的程度，是一项非常重大投资。在CAMP，我们通过设备和组建与行业内使用的非常相似。”
该工厂的生产工具置放在一间干燥的房间内，始终保持低于百万分之一百的湿度。之所以需要极低湿度，是因为空气中的水会与电池电解质中的盐发生反应，产生有害的酸。Jansen补充，CAMP的员工是经过培训的，可以通过独特的技能和技术将电池从原型转移到产品。
Jansen说：“在美国，CAMP是新电池化学公司进一步迈向商业化生产的机会。”
锂离子电池不一定是加速快速充电的唯一储能类型，但它们是主导类型。阿贡和能源部实验室网络的一些研究集中在固态电池和其他创新上，最终可能用地球上丰富的离子取代传统的锂离子。Srinivasan说：“虽然我们在未来十年还将继续驾驶锂离子电池的汽车，但我们希望同时拥有一系列的新技术。”
此外，除了在能量密度和电池监测方面取得进步，XCEL研究人员已经能够减少正极材料在快速充电过程中发生的开裂。他们也开发了新的电解质，有助于更有效地将锂离子运送到电池上，并防止锂镀层。
这种进步是因为阿贡的团队和公司之间有一个多学科的研究循环：以分钟为单位监测电池、开发原型并测试，然后开始重新循环。
Srinivasan说：“我们要从根本上解决快速充电的问题，XCEL表示让我们更深层地了解电池到底发生了什么。这种了解可以让我们对下一步做什么有更多的主意，我们可以设法找到解决办法。”
中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译
2022.3.14