В настоящата ера на бурно развитие на автомобилната индустрия с нова енергия, литиево-йонните батерии, като основен източник на енергия, са изправени пред критичното предизвикателство за балансиране на ефективността на зареждане и продължителността на живота. С увеличаващите се изисквания на потребителите за по-дълъг обхват на шофиране и по-бързи скорости на зареждане, както и фокуса на пазара върху живота на батерията и ефективността на разходите, технологията за зареждане на литиево-йонните батерии претърпява дълбока революция. Как да се осигури високо-ефективно зареждане, като същевременно се удължи живота на батерията, се превърна в спешен проблем, който индустрията трябва да реши.
I. Технология за бързо зареждане: Движещата сила за подобряване на ефективността
През последните години беше постигнат значителен напредък в технологията за бързо зареждане на литиево-йонни батерии. Вземете CATL като пример. Неговата батерия за ултра-бързо зареждане „Shenxing“ постигна ултра{4}}бърза скорост на зареждане от „10-минутно зареждане за 400-километров обхват на шофиране“. Дори в студена среда при -10 градуса, той може да се зареди до 80% от капацитета в рамките на 30 минути. През април 2024 г. CATL пусна батерията Shenxing PLUS, като допълнително увеличи обхвата на шофиране до 1000 километра, като същевременно поддържа ултра-характеристиката на бързо зареждане за зареждане до 60% от капацитета в рамките на 10 минути. Освен това CATL и SAIC-GM си сътрудничат, за да въведат 6C ултра-бързо зареждаща се литиево-желязо-фосфатна батерия, която се планира да се използва в модернизираната архитектура на високоволтовата батерия Ultium quasi-900V през 2025 г. Тази батерия може да бъде напълно заредена в рамките на 10 минути, добавяйки 200 километра пробег в рамките на 5 минути.
Изследователският екип, ръководен от професор Chao-Yang Wang от Пенсилванския държавен университет, също постигна забележителни постижения. Те откриха, че ако една батерия може бързо да се нагрее до 60 градуса преди зареждане, да се зареди бързо в продължение на 10 минути и след това бързо да се охлади до температурата на околната среда, термичното разграждане на батерията може да бъде избегнато и може да бъде предотвратено сериозно нарастване на филма от интерфазата на твърдия електролит (SEI). След многократни тестове екипът проведе тестове за изотермично зареждане на три типа батерии при 40 градуса, 49 градуса и 60 градуса, използвайки зареждане при 20 градуса като контрола. Впоследствие батериите бяха разглобени, за да се провери за литиево покритие. Резултатите показаха, че след 2500 цикъла на екстремно бързо зареждане (6C, 4,2 V) при 60 градуса за 10 минути, батерията с висока-енергийна-плътност с капацитет от 209 Wh/kg все още запазва 91,7% от капацитета си, със само 8,3% загуба на капацитет. Това далеч надвишава целта „500 цикъла, 20% загуба на капацитет“, определена от Министерството на енергетиката на САЩ (DOE), и не се наблюдава литиево покритие по време на процеса на зареждане.
Марки като XPENG и NIO също постигнаха пробив в ултра-бързото зареждане. XPENG пусна своята купчина за ултра-бързо зареждане S4 с максимална изходна мощност от 480 kW и максимален изходен ток от 670 A. Тази система може да осигури пробег от 200- километра за автомобил в рамките на 5 минути след зареждане. Според официалното изявление моделът 4C може да се зарежда от 10% до 80% за по-малко от 15 минути, което се твърди, че е най-бързата скорост на зареждане на масово-електрически превозни средства в световен мащаб. Моделът 3C също е оборудван с платформа за високо напрежение 800V, с пикова мощност на зареждане от около 300 kW. Той може да добави 130 километра пробег в рамките на 5 минути след зареждане и да зарежда от 10% до 80% за 20 минути.
II. Влиянието на бързото зареждане върху живота на батерията
Въпреки че технологията за бързо зареждане значително подобрява ефективността на зареждането, нейното въздействие върху живота на батерията не може да бъде пренебрегнато. По време на бързо зареждане, голям ток подтиква литиевите йони бързо да се вградят в анода. Ако контролът на температурата е неадекватен, металният литий може да се отложи върху повърхността на анода, образувайки дендрити, които потенциално биха могли да пробият сепаратора, което води до вътрешно късо съединение и ускорява влошаването на производителността на батерията. Освен това топлината, генерирана по време на бързо зареждане, ако не се разсее навреме, може да ускори разграждането на електролита и стареенето на електродните материали, съкращавайки живота на батерията.
Проучване показа, че за водачите на чисто електрически превозни средства със среден дневен пробег над 100 километра делът на използване на ултра-бързото зареждане надхвърля 70%. Степента на изправност на техните-батерии за захранване на борда е спаднала от 100% за нови автомобили до 85% в рамките на две години, със среден годишен спад от 7,5%. Последното изследване на екипа на професор Оуянг Мингао от университета Цинхуа обаче разкри, че честото използване на ултра{10}}бързо зареждане над 120 kW може да съкрати живота на батерията с 40% в сравнение с бавното зареждане.
Въпреки това някои проучвания показват, че влиянието на бързото зареждане върху живота на батерията не е абсолютно. Проследяване на проследяване, проведено от Recurring Automatic върху десетки хиляди Tesla, установи, че разликата в живота на батерията между бързо зареждане и бавно зареждане всъщност е незначителна. Дори за търговски{2}}автомобили, които се зареждат бързо-1-2 пъти на ден, техните цикли на смяна на батерията са подобни на тези на частни автомобили. Това се дължи главно на ефективните системи за контрол на температурата, които ефективно смекчават отрицателните въздействия от бързото зареждане.
III. Технически стратегии за балансиране на ефективността и продължителността на живота
За да намерят баланс между ефективността на бързото зареждане и живота на батерията, индустрията и предприятията са приели серия от технически стратегии.
По отношение на иновациите в материалите, технологията за ултра-бързо зареждане на CATL използва технология за ултра-електронен мрежов катод и второ-поколение графитена технология за бързи йонни пръстени, като допълнително повишава ефективността на електрохимичните реакции и ефективността на зареждането. Ултра-електронната мрежа, със своята напълно нанометризирана повърхност на материала, изгражда добре-свързана електронна мрежа, като значително подобрява скоростта на реакция на катодния материал към сигналите за зареждане и скоростта на десорбция на литиеви йони. Модифицираният с бърз йонен пръстен-порест покривен слой върху повърхността на анодния материал осигурява изобилие от активни места за обмен на литиеви йони, значително увеличавайки скоростта на обмен на заряда на литиевите йони и скоростта на вграждане.
При проектирането на структурата на батерията екипът на професор Chao-Yang Wang разработи батерия за „всички-климатични условия. Те поставиха 50-микрометра-дебело никелово фолио вътре в батерията, което може ефективно да се-самотопли. Когато токът е включен при ниски температури, той протича през никеловото фолио, генерирайки топлина. След като вътрешната температура на батерията надвиши 60 градуса, температурният сензор се задейства, за да изключи тока, протичащ през никеловото фолио. Тази батерия може да се самонагрее до 60 градуса в рамките на 30 секунди, без да компрометира своята производителност и живот при нормални температури. Този процес не изисква помощта на външно нагревателно оборудване или добавяне на специални добавки към електролита.
По отношение на системите за термично управление на батерията (BMS), някои производители на автомобили въведоха „ултра-режим на защита при зареждане“. Когато зарядът на батерията е под 20%, мощността на зареждане е ограничена до 60 kW, за да се избегнат някои-проблеми с повреждането на батерията. Други възприемат технология за предварително-нагряване на батерията, която подобрява ефективността на бързото зареждане с 35% в среди при -10 градуса, като същевременно намалява степента на разпадане на батерията с 30%.
IV. Стратегии за потребителско използване и прогноза за индустрията
За потребителите разумното използване на бързо зареждане е от решаващо значение за удължаване на живота на батерията. Професор Килу, директор на лабораторията за нови енергийни материали и технологии в Пекинския университет, заяви, че собствениците на автомобили трябва да ограничат дела на ултра{1}}използване на ултрабързо зареждане до 40%. Когато времето позволява, бавното зареждане трябва да се използва колкото е възможно повече. По-специално ултра-бързото зареждане трябва да се избягва, когато зарядът на батерията е под 10% или над 90%, тъй като използването на ултра-бързо зареждане в този диапазон може да причини по-голяма повреда на батерията.
От гледна точка на индустрията, чрез иновация на търговския модел, като например възприемане на модел на лизинг на батерии, производителите на автомобили могат да преминат от „продажба на продукти“ към „продажба на услуги“. Моделът-за разделяне на батериите на превозното средство може да намали чувствителността на потребителите към гаранциите за батерии, като същевременно стимулира предприятията да подобрят зрелостта на технологиите за бързо зареждане.
В бъдеще, с непрекъснатия технологичен прогрес, балансът между ефективността на бързото зареждане и живота на батерията за литиево-йонните батерии ще бъде допълнително оптимизиран. Появата на нови материали и технологии, като аноди на базата на силиций и батерии в твърдо състояние, се очаква да реши основно проблемите с продължителността на живота, причинени от бързото зареждане. В същото време непрекъснатото подобряване на интелигентните системи за контрол на температурата, динамичното регулиране на мощността и други технологии ще осигурят по-силна подкрепа за революцията в технологиите за зареждане на литиево-йонните батерии.
В тази революция в технологията за зареждане литиево-йонните батерии постепенно се движат към перфектен баланс между ефективност и продължителност на живота. Индустрията и предприятията трябва непрекъснато да правят иновации, а потребителите също трябва да ги използват разумно, за да насърчават съвместно устойчивото развитие на автомобилната индустрия с нова енергия.
