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鋰離子電池如何實(shí)現(xiàn)快速充電和更長(zhǎng)的生命周期

IEEE電氣電子工程師 ? 來(lái)源:IEEE電氣電子工程師 ? 作者:IEEE電氣電子工程師 ? 2022-07-25 16:46 ? 次閱讀
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為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車可以行駛1000英里或手機(jī)一次充電可以運(yùn)行數(shù)天的愿景,大多數(shù)電池開(kāi)發(fā)商正在競(jìng)相生產(chǎn)在相同重量下可以儲(chǔ)存兩倍能量的電池。

大多數(shù)鋰離子電池的研究主要集中在提高能量密度上,但初創(chuàng)公司TyFast首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人GJ la O’表示,其研究所不同的是,通過(guò)在電池容量方面妥協(xié),以實(shí)現(xiàn)快速充電和更長(zhǎng)的生命周期。

該公司希望制造一種基于新型釩基陽(yáng)極材料的電池,這種材料可以在3分鐘內(nèi)充電,并以能量密度為代價(jià)運(yùn)行20000次充電循環(huán)。La O‘表示,能量密度可能是當(dāng)今電池的80%到90%。La O’和該公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官Haodong Liu計(jì)劃在6月初獲得的新Activate fellowship的幫助下開(kāi)發(fā)一款商業(yè)產(chǎn)品。“我們的重點(diǎn)是比今天的鋰電池充電速度快20倍,壽命長(zhǎng)20倍。這意味著,我們將提供與上一代設(shè)備相同的運(yùn)行時(shí)間,但充電速度非常非常快,以至于你忽略尺寸和能量密度?!?/p>

這種折衷方案適用于其預(yù)期的始終在線、高利用率的應(yīng)用,例如需要全天候工作的自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)或交付機(jī)器人。Tyfast的電池可以通過(guò)非常短的快速完成充電來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

“今天的機(jī)器人平臺(tái)利用電池組,可以運(yùn)行8到10個(gè)小時(shí),”研究人員表示,“如果你有一個(gè)更快的充電電池,那么相當(dāng)于一個(gè)可以運(yùn)行4到5小時(shí)的電池組。更小的電池組將意味著機(jī)器人每次旅行攜帶更多的負(fù)載,因此它將更有效率?!?/p>

鋰離子電池的充電時(shí)間受鋰離子進(jìn)出陽(yáng)極的速度限制。通常用于陽(yáng)極的石墨現(xiàn)在具有平面結(jié)構(gòu),離子在層間滑動(dòng)。

Tyfast取而代之的是一種由鋰釩氧化物制成的陽(yáng)極,這種材料具有類似于食鹽的3D晶體結(jié)構(gòu)。離子以三維形式在晶體中移動(dòng),使傳輸速度達(dá)到石墨的10倍。

加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程師、Tyfast聯(lián)合創(chuàng)始人Ping Liu等人于2020年在《自然》雜志上首次報(bào)道了LVO陽(yáng)極,該陽(yáng)極在充電和放電時(shí)的膨脹和收縮也小于石墨。石墨的體積變化率高達(dá)10%,而LVO的膨脹率不到2%。la O’解釋說(shuō),“這可以減少陽(yáng)極的機(jī)械和化學(xué)損傷,延長(zhǎng)電池壽命。我們的技術(shù)正試圖克服石墨設(shè)定的這種材料限制。”

然而,按重量計(jì),石墨可以比LVO容納更多的離子,從而提供更高的電池能量密度。一些公司正在開(kāi)發(fā)納米工程硅或鋰金屬陽(yáng)極,其能量密度將是石墨的兩倍,以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電動(dòng)汽車行駛里程。這些材料的挑戰(zhàn)還在于其極高的體積膨脹,可能會(huì)使陽(yáng)極破裂。

Tyfast的LVO陽(yáng)極可能更堅(jiān)固,但其更高的成本可能是其缺點(diǎn)。它的價(jià)格幾乎是石墨的兩倍,每公斤超過(guò)20美元。la O’表示,具有LVO陽(yáng)極和鎳錳鈷(NMC)陰極的電池將比石墨NMC電池貴30%到50%。但LVO的更長(zhǎng)壽命可以彌補(bǔ)其更高的成本。他補(bǔ)充道:“如果你將其用于像自動(dòng)機(jī)器人這樣的一直在線應(yīng)用程序中,LVO的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng),因此你的每個(gè)充電周期的成本更低?!?/p>

在推出機(jī)器人之前,該公司最初的目標(biāo)是可穿戴設(shè)備市場(chǎng)。la O’說(shuō),它有幾個(gè)客戶在排隊(duì),其中包括一個(gè)主要的消費(fèi)電子品牌。在實(shí)驗(yàn)室里,它正在制造信用卡和糖包大小的電池。這些原型使用LVO陽(yáng)極和商用NMC陰極和電解質(zhì),迄今為止,充電周期超過(guò)2000次,充電時(shí)間不到15分鐘。

到今年年底,該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃達(dá)到20000次循環(huán),且充電時(shí)間不超過(guò)3分鐘?!拔覀兊脑妇笆鞘褂肨yfast電池的消費(fèi)電子設(shè)備,讓你更快地恢復(fù)活力,”研究人員說(shuō),“想象一下,在你喝杯咖啡休息的時(shí)間后,你的設(shè)備就會(huì)充滿電了?!?/p>

審核編輯:彭靜
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