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美国教授王朝阳出奇招:钝化电池、加热使用,功率增加1.72倍

美国教授王朝阳出奇招:钝化电池、加热使用,功率增加1.72倍

美国宾夕法尼亚大学王朝阳教授

2017年8月,一则《低温电池问世 全力保障2022年冬奥会》的新闻,曾在业内引起广泛关注。这意味着锂离子动力电池战胜严寒,成为全气候电芯,将帮助电动汽车在寒冷地区运营。

美国教授王朝阳出奇招:钝化电池、加热使用,功率增加1.72倍

这一全气候电池原理的提出者,是美国宾夕法尼亚州立大学电化学发动机中心主任王朝阳教授。在提出锂离子电池全气候解决方案两年后,王朝阳又带来了锂离子动力电池方面的新进展——免管理电池(MFB)。他在1月13日,中国电动汽车百人会第五届论坛(2019)上,进行了详细的讲解。

王朝阳的MFB电池,采取了听起来有些奇特的制备方案,先钝化正极材料和电解液,然后加温应用。王朝阳称, MFB有望在提高动力电池安全性、简化热管理系统、提升电池集成效率上做出突出。王朝阳据此问:“MFB是不是我们的终极电池?大家可以考虑。”

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从电池自加热到MFB

“比能量越高,则稳定性越差”,二者不可兼得。

常规锂电池研究思路是,采用活性更高材料替换原有材料,比如:NCM替换LFP、NCM811替换NCM622/523等。但在提升电池能量的同时,其安全性必然做出一定牺牲。

美国教授王朝阳出奇招:钝化电池、加热使用,功率增加1.72倍

王朝阳研究思路正好与之相反,他的设想是将活性材料“钝化”。他主张利用磷酸铁锂材料对三元材料进行包覆,比如对NCM8119055(镍90%、钴5%、锰5%)进行包覆,增加其稳定性;或者在电解液中添加添加剂,来增加电池的内阻,抑制电池材料活性,保证电池安全。

王朝阳介绍,经过以上处理形成的MFB体系常温内阻是原有材料体系内阻的 4-5倍,相当于让常温下电池进入“冬眠状态”,放电功率损失4-5倍,材料活性被抑制,提升了电池稳定性。

将MFB体系和改性前原材料做成2.8Ah的电池产品进行针刺对比实验,MFB产品针刺实验过程中峰值温度仅在100℃左右,而对比产品峰值温度则要高达1000℃。

但有一个问题仍需要解决,内阻增大的电池如何正常使用呢?

王朝阳介绍,需要用热刺激方式迅速调制电化学的动力特性,让MFB电池输出高功率。

美国教授王朝阳出奇招:钝化电池、加热使用,功率增加1.72倍

王朝阳介绍,尽管MFB材料常温内阻很大,但通过内加热刺激,其内阻会大幅降低。经测算,在60℃时,其功率将超过正常电池功率水平1.72倍——这将使得电池充电速度提升1.72倍。

美国教授王朝阳出奇招:钝化电池、加热使用,功率增加1.72倍

这种内加热技术也正是全气候电池中使用的核心技术。王朝阳介绍,这种加热结构非常简单,在原有电池结构中增加一个镍片,并延伸一个回路,闭合开关可使电池内部迅速升温。从常温25℃上升至60℃仅需要7秒钟,用3%能耗升温20-30摄氏度,内阻降低到与正常电池一致。添加的镍片仅5微米厚,几乎不增加电池重量,这使得电池能量密度也得到了保证。

美国教授王朝阳出奇招:钝化电池、加热使用,功率增加1.72倍

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王朝阳表示,MFB电池在50℃时就可以满足正常的工作需求,而在60℃时实际上是超出正常电池的工作范围的。另外一方面,在常温下,由于电池内阻比传统电池大5倍,所以其老化也随之小5倍,一定程度上延长了电池的使用寿命。MFB经测试在60℃的工作环境下,其循环次数仍超过2000次。而普通电池产品在60℃的条件下循环寿命将少于500次。一次循环按照300公里计算,MFB电池循环寿命期间续驶里程将超过60万公里,可以满足车载需要。

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MFB为何不需要管理

MFB另一个逆天之处是不需要复杂的热管理系统和BMS系统。

王朝阳认为,传统电池工作温度为30℃,而MFB工作温度为60℃,假设冷却界面温度为25℃,两者之间的温差相差7倍。根据热传系数计算,MFB电池对热管理的需求远低于传统电池,对电池热管理的需求非常简单,甚至不需要热管理系统,仅使用自然对流就足够了。

另外一方面,MFB电池将大大简化BMS系统。MFB电芯工况使用条件比较简单,只需要10秒时间将电芯温度升至60℃即可,电池的SOC、SOP都非常容易估算。

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锂电池从全气候到免维护

王朝阳对《电动汽车观察家》表示,基于MFB体系的动力电池已经有国内厂商在着手量产了,其他细节暂时无法透露,国内研究成果转化速度之快让其无比赞叹。

谈及全气候锂电池方案,王朝阳表示这离不开中国工程院院士孙逢春领导的执行团队的持续推进。“两年前,我将锂离子电池内加热技术的论文发表在《自然》期刊上,孙逢春院士通过邮件与我取得联系,在此之前我们并不认识。我们看到这个方案已经在持续的推进中了,去年已经在内蒙古海拉尔进行了-40℃严寒测试,听说下个礼拜还将开展第二次试验。

王朝阳介绍,根据近期测试结果,在-30℃条件下,全气候电池续航里程依然可以达到常温续航的92%。(完)

来源:第一电动网

作者:电动汽车观察家

本文地址:https://www.d1ev.com/kol/85930

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