充电10分钟，续航400公里！华人学者发明锂电快充技术，可产业化

10 分钟充电可让电动汽车充满 80%，续航 300 公里到 400 公里，并且经过 2500 次充放电后，电池容量只有 8.3% 的损耗。这个结果已经远远超出了美国能源部的目标。

作为对比，特斯拉的 Model S 目前快充效率为 40 分钟充电 80%。

这个神奇结果由宾夕法尼亚州立大学王朝阳教授团队发布在 10 月 30 日的《焦耳》杂志（Joule）。在方法上，他们并没有盯着改进电池材料不放，而是"曲线救国"，采用了一种更为简捷、成本低廉的热刺激技术，攻克了锂电池快速充电和电池寿命难以兼得的关键问题，也有望解决新能源汽车发展的"里程焦虑"和"充电时间焦虑"难题。

与绝大多数实验室研究不同，这项成果最厉害的地方是其成熟程度非常高。王朝阳告诉 DeepTech，热刺激快充技术基本上不需要工业化前的改进了，"是能直接用的"。

60 摄氏度，10 分钟

图 | 高温下充电会加快，金色小球代表锂离子。（来源：宾夕法尼亚州立大学）

电池中的离子从正极流向负极就会产生能量，这便是电池的充电过程，其充电速度受限于离子移动的速度。如果提高温度，离子移动速度就会加快，充电速度相应提升。这正是王朝阳团队研究的出发点。

然而长时间高温充电会让电解液分解，缩短电池寿命。这就需要摸索出一个适当的温度参数和时间参数。

经过反复测试，王朝阳团队发现，如果电池能在充电前迅速加热到 60 摄氏度，快充 10 分钟，然后迅速降温到环境温度，那么就不会形成电池的热衰减，还能避免严重的固体电解质界面膜（SEI 膜）增长，后者是电极材料与电解液在固液相界面上发生反应形成的钝化层。王朝阳说，这个技术关键是在特定高温下快速充电。

具体而言，他们对 3 款动力电池分别在 40 摄氏度、49 摄氏度和 60 摄氏度下进行了恒温充电测试，以 20 摄氏度下充电作为对照，之后将电池拆解来检查其有无发生析锂（锂离子在负极表面的沉积）。

结果发现，经过 2500 次 60 摄氏度 10 分钟的极端快速充电（6 C，4.2 V），209 瓦时每千克（Wh / kg）的高能量密度电池电池仍可拥有 91.7％的容量，只有 8.3% 的容量损耗，这远远超过了美国能源部 （DOE） 的"500 次循环、容量损耗 20％"目标，并且在充电过程中未发现析锂。

以前人们普遍担心锂离子电池在高温下充电可能加速副反应，王朝阳团队的研究则表明，限定时间的高温充电所带来减少析锂的收益，远远大于副反应的负面损失。

高温下充电能减少析锂。电池的正极或负极具有类似海绵的物理结构，可以释放或接收锂离子。由于充电时的极化作用，锂离子会在负极表面沉积，发生析锂。而析锂在低温下会更加严重，因为锂离子的移动速度减缓会更容易沉积在负极表面。也就是说，低温充电时会更加减少充电效率和增加安全风险。高温充电时锂离子移动速度足够大，锂离子会均匀地渗透进去。

电池自加热

图 | "全气候"电池。（来源：宾夕法尼亚州立大学）

图 | 自加热电池结构图，Cathode 为阴极，Anode 为阳极，Elecetrolyte 为电解液，Metal foil 指的是镍箔。（来源：王朝阳）

为了让电池能够在快充前迅速加热到指定温度，王朝阳团队开发了"全气候"电池。他们在电池内部插入 50 微米厚度的镍箔，可有效进行自加热。电流在低温时开启，流过镍箔，产生热量。一旦电池内部温度超过 60 摄氏度时，就会触动温度传感器关闭镍箔电流。

该电池可以在 30 秒内自加热到 60 摄氏度，同时不减弱电池在常温下的性能和寿命。这一过程既不需要外部加热设备的帮助，也不需要在电解质里添加特别的添加剂。

王朝阳说，这个自加热过程可以进一步改进，使其自加热时间更少。

研究指出，这个研究可以在量产电池上推广，镍箔会增加 0.47% 的成本和 1.3% 的重量，但由于其削减了目前外接加热器的需求，所以实际上减少了电池组的成本。

王朝阳创建的 EC Power 公司已经实现"全气候"电池的商业化，并且这个成果即将用于 2022 年北京冬奥会。

2022 冬奥会将会大规模使用新能源汽车，但这些车辆将面临零下 20℃至零下 30℃的低温工作环境，那么电动车辆将会面临电池的充电速度变差，容量和寿命也会衰减。

王朝阳与北京理工大学团队合作，将其发明的电池自加热技术应用于新能源汽车动力电池。据报道，经过试验验证，新技术对电池安全性能没有影响，电池系统比能量达到 170 瓦时每千克，系统可靠性实验累计完成充切断数超过 5000 次，能够彻底解决电动汽车在冬季续驶里程急剧下降、无法启动、衰减、安全隐患等诸多难题。

专访王朝阳：用简捷、低成本的技术做快充开发

王朝阳 ：热刺激快充是我们的独家发明。各种快充的实质是一样的，即增加锂离子的传递速率，只是我们用了加热的物理方法。

我研究了 25 年锂电池，做过各种尝试，包括改良材质，改进电解液，在电解液中添加各种添加剂，以及改良石墨颗粒，目的都是让锂离子传输得快一点。但是这些改进有一个很大的局限，就是一旦增加了某个方面的收益，你就会牺牲另一方面的优势。

比如说，如果把电解液改良了，其导电率提升，加快了充电速度，但同时这个电池就变得更加危险，其发生内短路起火或爆炸风险就相应增加。再比如说，如果把石墨颗粒变小会加快锂离子移动，但是这样的材料也会增加电池风险。

而我们目前采用的热刺激是一个主动控制的办法，不必改变材料本身，其安全性能没有任何变化，10 分钟速战速决也避免了析锂。

一般而言，我们希望寻找这样的简单方法，方法越简单，技术就越成熟，成本也会降下来。

DeepTech ：这项新发表的研究比你们此前的研究有哪些改进？

王朝阳 ：以前我们只是把电池温度自加热到常温，这次我们是突破温度的禁区，把温度时间自加热到了 60 摄氏度。

常温下充电太慢了，所以我们把温度提高到 60 摄氏度，可以让离子移动速率大大提高，来满足 10 分钟快充的需求。这里的难题是，我们怎么避免电池材料在高温下衰老。

通过大量的实验跟理论推算，我们发现电池材料在高温下的衰老与时间有关，只要能够限制电池材料暴露在高温的时间，就能够让电池的损伤做到最小，那么 10 分钟快充正好满足这个条件。

按照 2500 次、每次快充续航至少 300 公里估算，一块电池差不多有 75 万到 100 万公里的寿命。

DeepTech ：快充完毕后的迅速冷却是怎么实现的？

王朝阳 ：其实靠自然冷却就可以实现。假如环境温度是 25 摄氏度的话，电池的 60 摄氏度降温到 25 摄氏度就有 35 摄氏度的温差，这与电池充电温度 30 摄氏度降温到 25 摄氏度相比，温差是 7 倍。此外，与 60 摄氏度下电池内阻相比，30 摄氏度下的内阻高了 3 倍，那么总的来看，电池在 60 摄氏度下散热速率比 30 摄氏度下散热就会高出很多倍。

DeepTech ：10 分钟快充技术距离产业化有多远？

王朝阳 ：基本上是能直接用的。有 2 个原因，一是我们的实验用了工业界标准的电池；二是我们的技术通过了第三方、美国阿贡国家实验室测试。

目前我们已经很轻松满足美国能源部"500 次循环、容量损耗 20％"的要求，它的成熟程度是非常高的，基本上不需要工业化前的改进了。

DeepTech ：那么美国的充电桩准备好了吗？在中国的情况如何呢？

王朝阳 ：我们的快充可以适应特斯拉新建的 240 千瓦充电站，其实这个充电速率超出了他们 45 分钟快充需求。另外，到今年年底，美国会新建 2000 个到 2500 个快充桩，充电功率为 300 千瓦到 350 千瓦，其资金来自大众的"柴油门"罚款。

在中国，特斯拉也在准备建 240 千瓦的快充站。

中国几家最主要的电池制造商都在关注我们的技术，因为这个技术相对比较简单，且比较成熟，我估计不久就会出现在中国市场。

DeepTech ：你们的"全气候"电池在助力 2022 冬奥会的进展如何？

王朝阳 ：我们已经做过 2 年的冬季车队实验。2018 年 3 月份在内蒙古做了第一轮冬季测试，这些实验一定要等到冬季最冷的时候去做，所以那时候要应对零下 40 度的低温。第二轮是今年 1 月份在内蒙古海拉尔，都非常成功。

在国外，我们的全气候电池技术已经授权给了宝马等车企。

DeepTech ：你们的技术会用到智能手机上吗？

王朝阳 ：手机上原则上也能用。但这里需要技术上更加成熟，以及更多的安全测试，毕竟人们对智能手机的电池安全性更为看重。

DeepTech ：听说你们的下一个目标是 5 分钟快充？

王朝阳 ：5 分钟快充是我们的终极目标。为什么是 5 分钟呢？因为如果 5 分钟能充好电的话，就会让车主有接近加油站加油的体验。当然 5 分钟充电有很多挑战，这就像让汽车的百米加速，从 4 秒到 3.8 秒的 0.2 秒提升都是一个巨大的进步。

王朝阳简介

（来源：宾夕法尼亚州立大学）

王朝阳（Chao-Yang Wang），宾夕法尼亚州立大学机械工程系主任，机械工程、化学工程和材料科学与工程系杰出教授。他是宾夕法尼亚州电化学发动机中心（ECEC）和电池与储能技术（BEST）中心的创始董事。研究工作包括电池和燃料电池中的运输、材料制造和建模等方面。王朝阳拥有 50 多项专利（美国，中国，欧盟和日本）。他最近关于全气候电池（ACB）技术的研究发表在 Nature 杂志上，后来被 2022 年冬季奥运会选中，为奥运会的电动汽车提供动力。

锂电池快速充电大揭秘

来源：动力电池技术

电动汽车时常会出现这样的介绍：“快速充电，半小时充电80%，续航300公里，完全解决你的里程焦虑！”快充，商用车用来提升设备使用效率，乘用车用来解决里程焦虑，不断逼近“加一箱油”的时间。大有成为标配的趋势。今天就一块儿来挖一挖快充方法，捎带挖一挖方法的由来。

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充电多快可以叫“快充”？

我们充电的基本诉求：

1）充电要快；

2）不要影响电芯寿命；

3）尽量省钱，充电机放出来多少电，尽量都充到我的电池里。

那么多快就可以叫快充了呢？并没有什么标准文献给出具体数值，我们暂且参考知名度最高的补贴政策中提及的数值门槛。

下表是新能源客车2017年补贴标准。可以看到，快充的入门级是3C。实际上，在乘用车的补贴标准中，没有提及快充的要求。

从一般乘用车的宣传资料中，可以看到，大家一般认为30分钟充满80%已经可以作为快充的噱头，拿出来宣传了，那么姑且认为乘用车的1.6C就可以是入门级快充参考值。

按照这个思路，宣传15分钟充满80%的，相当于3.2C。

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快充的瓶颈在哪里？

在快充这个语境里，相关方按照物理主体分，包括电池、充电机、配电设施。

我们讨论快充，直接的想到电池会不会有问题。

实际上，在电池有问题之前，首先是充电机，配电线路的问题。

我们提到特斯拉的充电桩，其名曰超级充电桩，它的功率是120kW。

按照特斯拉Model S85D的参数，96s75p，232.5Ah，最高403V计算，其1.6C对应最大需求功率为149.9kW。

从这里就可以看到，对于长续航纯电动车型，1.6C或者说30分钟充满80%已经对充电桩构成考验。

在国家标准中，不允许在原来的居民用电网络中直接直接设置充电站。1台快充桩的用电功率就已经超出几十户居民的用电量。

因此，充电站都需要单独设置10kV变压器，而一个区域的配电网络并非都有余量增加更多的10kV变电站。

然后说道电池。电池是否能够承载1.6C或者3.2C的充电要求，可以从宏观和微观两个角度来看待。

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宏观上的快速充电理论

之所以这节的题目叫做“宏观上的快速充电理论”，是因为直接决定电池快速充电能力的是锂电池内部正负极材料性质、微观结构，电解液成分、添加剂，隔膜性质等等，这些微观层面的内容，我们暂时放在一边，站在电池外边，看锂电池快速充电的方法。

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锂电池存在最优充电电流

1972 年美国科学家J.A. Mas 提出蓄电池在充电过程中存在最佳充电曲线和他的马斯三定律，需要注意的是，这个理论是针对铅酸蓄电池提出的，其界定最大可接受充电电流的边界条件是少量副反应气体的产生，显然这个条件与具体的反应类型有关。

但系统存在最优解的思想，却是放之四海而皆准的。

具体到锂电池，界定其最大可接受电流的边界条件可以重新定义。

基于一些研究文献的结论，其最优值仍然是类似马斯定律的曲线趋势。

值得注意的是，锂电池的最大可接受充电电流的边界条件，除了需要考虑锂电池单体的因素，还需要考虑系统级别的因素，比如散热能力不同，系统的最大可接受充电电流是不同的。

然后我们暂且以这样的基础继续向下讨论。

马斯定理的公式描述：

I =I0*e^αt

式中；I0为电池初始充电电流；α 为充电接受率；t 为充电时间。I0和α 的值与电池类型、结构和新旧程度有关。

现阶段对电池充电方法的研究主要是基于最佳充电曲线来开展的。

如下图所示，如果充电电流超过这条最佳充电曲线，不但不能提高充电速率，而且会增加电池的析气量；

如果小于此最佳充电曲线，虽然不会对电池造成伤害，但是会延长充电时间，降低充电效率。

对这个理论的阐述包含三个层次，是为马斯三定律：

①对于任何给定的放电电流， 蓄电池充电时的电流接受比α 与电池放出的容量平方根成反比；

② 对于任何给定的放电量，α与放电电流Iｄ 的对数成正比；

③蓄电池在以不同的放电率放电后， 其最终的允许充电电流It （ 接受能力） 是各个放电率下的允许充电电流的总和。

以上定理，也是充电接受能力这个概念的来源。先理解一下什么是充电接受能力。找了一圈，没有看到统一官方的定义。

按照自己的理解，充电接受能力就是在特定环境条件下，具备一定荷电量的可充电电池充电的最大电流。

可以接受的含义是不会产生不应有的副反应，不会对电芯的寿命和性能造成不良影响。

进而理解一下三定律。第一定律，在电池放出一定电量以后，其充电接受能力与当前荷电量有关，荷电量越低，其充电接受能力越高。

第二定律，充电过程中，出现脉冲放电，有助于帮助电池提高实时的可接受电流值；

第三定律，充电接受能力会受到充电时刻以前的充放电情况的叠加影响。

如果马斯理论也适用于锂电池，则反向脉冲充电（下文中具体名称为Reflex 快速充电法）除了可以用去极化的角度解释其对温升抑制有帮助以外，马斯理论也作为对脉冲方法的支撑。

而更进一步的，真正将马斯理论全盘运用的，是智能充电方法，即跟踪电池参数，使得充电电流值始终因循锂电池的马斯曲线变化，使得在安全边界以内，充电效率达到最大化。

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常见快速充电方法

锂电池的充电方法有很多种，针对快速充电的要求，其主要方法包括脉冲充电、Reflex 充电，和智能充电。

不同的电池类型，其适用的充电方式也不完全相同，在方法这节不做具体区分。

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脉冲充电

这是来自文献中的一个脉冲充电方式，其脉冲阶段设置在充电触及上限电压4.2V以后，并在4.2V以上持续进行。

暂且不提其具体参数设置的合理性，不同类型电芯存在差异。

我们关注一下脉冲实施过程。

下面是脉冲充电曲线，主要包括三个阶段：预充、恒流充电和脉冲充电。

在恒流充电过程中以恒定电流对电池进行充电，部分能量被转移到电池内部。

当电池电压上升到上限电压（4.2 V）时，进入脉冲充电模式：用1 C 的脉冲电流间歇地对电池充电。

在恒定的充电时间Tc内电池电压会不断升高，充电停止时电压会慢慢下降。

当电池电压下降到上限电压（4.2 V）后，以同样的电流值对电池充电，开始下一个充电周期，如此循环充电直到电池充满。

在脉冲充电过程中，电池电压下降速度会渐渐减慢，停充时间T0会变长，当恒流充电占空比低至5%～10%时，认为电池已经充满，终止充电。

与常规充电方法相比，脉冲充电能以较大的电流充电，在停充期电池的浓差极化和欧姆极化会被消除，使下一轮的充电更加顺利地进行，充电速度快、温度的变化小、对电池寿命影响小，因而目前被广泛使用。

但其缺点很明显：需要一个有限流功能的电源，这增加了脉冲充电方式的成本。

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间歇充电法

锂电池间歇充电法包括变电流间歇充电法和变电压间歇充电法。

1）变电流间歇充电法

变电流间歇充电法是由厦门大学陈体衔教授提出来的，它的特点是将恒流充电改为限压变电流间歇充电。

如下图所示，变电流间歇充电法的第一阶段，先采用较大电流值对电池充电，在电池电压达到截止电压V0时停止充电，此时电池电压急剧下降。

保持一段停充时间后，采用减小的充电电流继续充电。当电池电压再次上升到截止电压V0时停止充电，如此往复数次（一般约为3～4 次）充电电流将减小设定的截止电流值。

然后进入恒电压充电阶段，以恒定电压对电池充电直到充电电流减小到下限值，充电结束。

变电流间歇充电法的主充阶段在限定充电电压条件下，采用了电流逐渐减小的间歇方式加大了充电电流，即加快了充电过程，缩短了充电时间。

但是这种充电模式电路比较复杂、造价高，一般只有在大功率快充时才考虑采用。

2）变电压间歇充电

在变电流间歇充电法的基础上，有人又研究了变电压间歇充电法。两者的差异就在于第一阶段的充电过程，将间歇恒流换成间歇恒压。

比较上面图(a)和图 (b)，可见恒压间歇充电更符合最佳充电的充电曲线。

在每个恒压充电阶段，由于电压恒定，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。

3）Reflex 快速充电法

Reflex 快速充电方法，又被称为反射充电方法或“打嗝”充电方法。

该方法的每个工作周期包括正向充电、反向瞬间放电和停充3 个阶段。

它在很大的程度上解决了电池极化现象，加快了充电速度。但是反向放电会缩短锂电池寿命。

如上图 所示，在每个充电周期中，先采用2 C 的电流充电时间为10 s 的Tc，然后停充时间为0.5 s的Tr1，反向放电时间为1 s 的Td，停充时间为0.5 s 的Tr2，每个充电循环时间为12 s。随着充电的进行，充电电流会逐渐变小。

4）智能充电法

智能充电是目前较先进的充电方法，如下图所示，其主要原理是应用du/dt 和di /dt 控制技术，通过检查电池电压和电流的增量来判断电池充电状态，动态跟踪电池可接受的充电电流，使充电电流自始自终在电池可接受的最大充电曲线附近。

这类智能方法，一般结合神经网络和模糊控制等先进算法技术，实现系统的自动优化。

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充电方式对充电速率影响的实验数据

文献比较了恒流充电方法和一种反向脉冲充电。恒流充电就是整个充电过程中以恒定不变的电流对电池进行充电充。

恒流充电初期，可以有大电流充电，但随着时间的推移，极化电阻逐渐显现并增加，造成更多的能量转化成热量，消耗掉并使得电池温度逐渐上升。

恒流充电与脉冲充电的比较

脉冲充电方法，是以一段时间的充电之后，出现短暂的反向充电电流。

其基本形式如下图所示。充电过程中夹杂短暂的放电脉冲，起到去极化的作用，降低极化电阻在充电过程中造成的影响。

有研究专门对比了脉冲充电与恒流充电的效果差异性。取平均电流为１Ｃ，２Ｃ，３ Ｃ 和４Ｃ（Ｃ 为电池额定容量数值） ， 分别做了４ 组对比实验，通过电池充完后放出的电量来衡量实际充入的电量下。

图为充电电流为２Ｃ 时脉冲充电的电流及电池端电压波形。表１ 为恒流脉冲充电实验数据。脉冲周期为１ｓ，正脉冲时间为0.９ｓ， 负脉冲时间为０.１ｓ。

Ichav 为充电平均电流，Qin为充入电量；Qo为放出电量，η为效率。

从上表中的实验结果可以看到，恒流充电与脉冲充电效率近似，脉冲略低于恒流，但充入电池的总电量，脉冲方式明显多于恒流方式。

不同脉冲占空比对脉冲充电的影响

脉冲充电中的负电流放电时间对充电快慢有，一定影响， 放电时间越长， 充电越慢；

保持相同平均电流充电时， 放电时间越长。

从下表可以看出，不同占空比对效率和充入电量有明确的影响趋势，但数值差异不是很大。

与此相关的，还有两个重要参数，充电时间和温度没有显示。

因此，选择脉冲充电优于持续恒流充电，具体选择占空比，则需要重点考虑电池温升和充电时间诉求。

来源：动力电池技术

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