想给你的锂电电动车充电？这些正确姿势要掌握好
众所周知，当前众多电子产品多采用锂电／锂电聚合物电池，所以对于搭载锂电池的设备来说，广泛的应用使得其优越的性质凸显。从日常用到的电子设备如手机／电脑等小设备，到如今火爆大街的电动车／电动汽车，所以对于设备电池续航以及充电问题也成为大家关心的话题。
等电动车没电了再充？锂电池说为时已晚
锂电顾名思义，以锂金属或锂合金为阳极材料，使用非水电解质溶液的电池，而我们经常提到的锂电池主要是指可充电的锂离子电池，主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。因此，锂电池的优势如能量密度大、平均输出电压高、自放电小，而且没有记忆效应、工作温度范围宽、循环性能优越、可快速充放电、充电效率高、输出功率大、使用寿命长、不含有毒有害物质等优势而广泛应用。
那么如何使得大家手上的设备如手机电脑电动车上的锂聚电池能够更高效更长寿的工作，给电池正确充电很重要，关键是不能等到你的手机／电动车没电了再充电，因为如果设备电量用尽了再充电已经“为时已晚”。
这些确实不是危言耸听，虽然锂电电池容量大／充电时间短／电池寿命长 的特点，但也有明显的缺点，如不耐受过放电：过放电时，过量嵌入的锂离子会被固定于晶格中，无法再释放，导致寿命缩短，深度放电更可能使电池损坏。
所以，电动车或手机等设备的电池电量几乎用尽，或处于低电量的时候，会损伤锂离子电池。因此，无论是手机，笔记本电脑还是电动汽车，都不应该在电池电量用完是再准备充电，一般来说，如果有条件的话应该在电池还有40%-50%左右的电量时就进行充电。
当然，也要防止过充，那样会使的电池正极极脱嵌过多锂离子，长时间的过充可能导致晶格坍塌，从而不可逆地降低锂离子电池的容量。所以，给你的手机电脑电动车正确充电很重要，千万不要等到没电再充电哦。
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
DeepTech ：热刺激快充是你们独家的发现吗？你们是如何想到这个更"简捷"方法的？
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。
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