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許多考慮購(gòu)買電動(dòng)汽車的司機(jī)都會(huì)問一個(gè)關(guān)鍵問題:電池充電需要多長(zhǎng)時(shí)間？在長(zhǎng)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(guó)能源部(DOE)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家正在研究加速充電的技術(shù)——這是加速電動(dòng)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(jì)劃進(jìn)行的研究已經(jīng)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(shí)現(xiàn)的。
長(zhǎng)途旅行能力不僅對(duì)通勤者和公路旅行者很重要。美國(guó)經(jīng)濟(jì)在很大程度上依靠卡車運(yùn)輸貨物，而該行業(yè)需要為未來的電氣化車隊(duì)提供快速充電時(shí)間。改善儲(chǔ)能將使車隊(duì)電氣化成為可能。
XCEL Lead Venkat Srinivasan說：“我們正在進(jìn)入電動(dòng)汽車和卡車必須快速充電階段，這不是一個(gè)好現(xiàn)象。”
如今，阿貢正在努力解決快速充電障礙，目標(biāo)是充電時(shí)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(guó)能源部愛達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（DOE’s Idaho National Laboratory）, 勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）, 橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）,SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（SLAC National Accelerator Laboratory）和國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)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(chǔ)能科學(xué)合作中心（ACCESS）主任兼XCEL負(fù)責(zé)人Venkat Srinivasan說：“我認(rèn)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(gè)非常重要、改變游戲規(guī)則的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的概念。他還說：“我們已經(jīng)進(jìn)入了電動(dòng)汽車和電動(dòng)卡車快速充電的時(shí)代，這不是一個(gè)好現(xiàn)象。”他補(bǔ)充，隨著飛機(jī)越來越依賴電力，快速充電對(duì)于可持續(xù)的航空業(yè)也至關(guān)重要。
2017年開始，通過XCEL新方案的研究，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)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(shí)現(xiàn)類似的收益。實(shí)踐中，就當(dāng)前的技術(shù)而言，電動(dòng)汽車只需要充電10分鐘就可以行駛90英里。而在未來，電動(dòng)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(zhàn)。第一個(gè)挑戰(zhàn)是電池在壓力下會(huì)破裂。第二個(gè)挑戰(zhàn)是電池產(chǎn)生的熱量過快，從而縮短了它們的壽命。
第三個(gè)也是最具有挑戰(zhàn)性的是鋰鍍層現(xiàn)象。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子（帶電荷的原子或分子）穿過一種叫電解質(zhì)的液體介質(zhì)，從正極移動(dòng)到負(fù)極。快充或引起離子堵塞，鋰將會(huì)在負(fù)極外永久堆積。這會(huì)縮短電池壽命，還會(huì)造成安全隱患。
開始解決這些問題之前，需要先發(fā)現(xiàn)這些問題，這是在電池研究領(lǐng)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(shù)百次的充電周期后才能發(fā)現(xiàn)。故障是在什么時(shí)間什么情況下發(fā)生的呢？電池在遇到故障后還能維持多久呢？如果不能長(zhǎng)時(shí)間觀察電池的運(yùn)行情況，這些問題就更難回答了。
XCEL科學(xué)家已經(jīng)獲得了一個(gè)特別的工具?？茖W(xué)家們使用先進(jìn)光子源（APS）的X-ray，先進(jìn)光子源是阿貢的能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施。在APS眾多實(shí)驗(yàn)室之一11-ID-B，研究人員觀察一系列在不同充電狀態(tài)下的電池。X-ray高能使研究人員能夠穿透整個(gè)電池，不過X-ray的通量加快了數(shù)據(jù)的收集，使科學(xué)家能夠跟蹤充電過程中的能量傳輸速率。
阿貢電化學(xué)家Kamila Magdalena Wiaderek說：“可以在其他地方進(jìn)行這種類型的室驗(yàn)，但APS的高強(qiáng)度光束可將測(cè)量時(shí)間從幾天縮短至幾分鐘，從而可以跟蹤與快速充電相關(guān)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(shí)檢查電池，并記錄不均勻性的原因，包括快充期間出現(xiàn)的問題。他們正在通過實(shí)驗(yàn)詳細(xì)說明鋰鍍層的方式、地點(diǎn)和時(shí)間，以及原子級(jí)上的其他變化。
APS升級(jí)將使該設(shè)施產(chǎn)生的X-ray比目前產(chǎn)生的X-ray強(qiáng)500倍，在未來加強(qiáng)XCEL研究，進(jìn)一步縮短數(shù)據(jù)收集的時(shí)間。
Wiaderek說：“改善光束質(zhì)量將使我們能夠更好地觀察電池運(yùn)行時(shí)發(fā)生的快速過程。更快的收集數(shù)據(jù)將使我們能夠使用我們目前無法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)來觀察正在運(yùn)行的電池。”
在CAMP工廠制造電池
為了一個(gè)接一個(gè)測(cè)試和檢測(cè)電池，研究人員需要一個(gè)穩(wěn)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(chǎn)符合行業(yè)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(shí)驗(yàn)室發(fā)明和商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)之間的差距。
負(fù)責(zé)CAMP工廠的高級(jí)化學(xué)工程師Andrew Jansen說：“對(duì)于一家公司來說，將一個(gè)可能在學(xué)術(shù)論文中讀到的研究想法，并將其擴(kuò)大到可以在其生產(chǎn)線中運(yùn)行的程度，是一項(xiàng)非常重大投資。在CAMP，我們通過設(shè)備和組建與行業(yè)內(nèi)使用的非常相似。”
該工廠的生產(chǎn)工具置放在一間干燥的房間內(nèi)，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?yàn)榭諝庵械乃畷?huì)與電池電解質(zhì)中的鹽發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生有害的酸。Jansen補(bǔ)充，CAMP的員工是經(jīng)過培訓(xùn)的，可以通過獨(dú)特的技能和技術(shù)將電池從原型轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品。
Jansen說：“在美國(guó)，CAMP是新電池化學(xué)公司進(jìn)一步邁向商業(yè)化生產(chǎn)的機(jī)會(huì)。”
鋰離子電池不一定是加速快速充電的唯一儲(chǔ)能類型，但它們是主導(dǎo)類型。阿貢和能源部實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)的一些研究集中在固態(tài)電池和其他創(chuàng)新上，最終可能用地球上豐富的離子取代傳統(tǒng)的鋰離子。Srinivasan說：“雖然我們?cè)谖磥硎赀€將繼續(xù)駕駛鋰離子電池的汽車，但我們希望同時(shí)擁有一系列的新技術(shù)。”
此外，除了在能量密度和電池監(jiān)測(cè)方面取得進(jìn)步，XCEL研究人員已經(jīng)能夠減少正極材料在快速充電過程中發(fā)生的開裂。他們也開發(fā)了新的電解質(zhì)，有助于更有效地將鋰離子運(yùn)送到電池上，并防止鋰鍍層。
這種進(jìn)步是因?yàn)榘⒇暤膱F(tuán)隊(duì)和公司之間有一個(gè)多學(xué)科的研究循環(huán)：以分鐘為單位監(jiān)測(cè)電池、開發(fā)原型并測(cè)試，然后開始重新循環(huán)。
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(fā)生了什么。這種了解可以讓我們對(duì)下一步做什么有更多的主意，我們可以設(shè)法找到解決辦法。”
原標(biāo)題： 阿貢的電池研究著眼于未來快速充電
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