I den nuværende æra med den kraftige udvikling af den nye energikøretøjsindustri står lithium-ion-batterier, som den centrale strømkilde, over for den kritiske udfordring med at balancere opladningseffektivitet og levetid. Med forbrugernes stigende krav om længere køreafstande og hurtigere opladningshastigheder, samt markedets fokus på batterilevetid og omkostningseffektivitet, gennemgår opladningsteknologien for lithium-ion-batterier en dyb revolution. Hvordan man sikrer høj-effektiv opladning og forlænger batteriets levetid, er blevet et presserende problem, som industrien er nødt til at tage fat på.
I. Hurtig opladningsteknologi: Drivkraften for effektivitetsforbedring
I de senere år er der sket betydelige fremskridt inden for hurtigopladningsteknologien for lithium-ion-batterier. Tag CATL som eksempel. Dets "Shenxing" ultra-hurtige opladningsbatteri har opnået en ultra-hurtig opladningshastighed på "10-minutters opladning for en 400-kilometers rækkevidde". Selv i kolde omgivelser ved -10 grader kan den oplades til 80 % af kapaciteten inden for 30 minutter. I april 2024 lancerede CATL Shenxing PLUS-batteriet, hvilket yderligere øgede rækkevidden til 1000 kilometer, samtidig med at den ultra-hurtige opladningsegenskab ved opladning til 60 % af kapaciteten inden for 10 minutter bibeholdtes. Derudover har CATL og SAIC-GM samarbejdet om at introducere et 6C ultrahurtigt opladet lithiumjernfosfatbatteri, som er planlagt til at blive brugt i den opgraderede Ultium kvasi-900V højspændingsbatteriarkitektur i 2025. Dette batteri kan lades fuldt op inden for 10 minutter, hvilket tilføjer 200 kilometers rækkevidde inden for 5 minutter.
Forskerholdet ledet af professor Chao-Yang Wang ved Pennsylvania State University har også opnået bemærkelsesværdige resultater. De fandt ud af, at hvis et batteri hurtigt kan opvarmes til 60 grader før opladning, oplades med hurtig hastighed i 10 minutter og derefter hurtigt afkøles til omgivelsestemperaturen, kan termisk nedbrydning af batteriet undgås, og alvorlig vækst af den faste elektrolyt interfase (SEI) film kan forhindres. Efter gentagne test udførte holdet isotermiske opladningstest på tre typer strømbatterier ved 40 grader, 49 grader og 60 grader, ved at bruge opladning ved 20 grader som kontrol. Efterfølgende blev batterierne adskilt for at tjekke for lithiumbelægning. Resultaterne viste, at efter 2500 cyklusser med ekstrem hurtig opladning (6C, 4,2V) ved 60 grader i 10 minutter, beholdt batteriet med høj-energi-tæthed med en kapacitet på 209 Wh/kg stadig 91,7 % af sin kapacitet med kun 8,3 % kapacitetstab. Dette overskred langt målet for "500 cyklusser, 20 % kapacitetstab" fastsat af det amerikanske energiministerium (DOE), og der blev ikke observeret lithiumplettering under opladningsprocessen.
Mærker som XPENG og NIO har også opnået gennembrud inden for ultra-hurtig opladning. XPENG lancerede sin S4 ultra-hurtigopladningsbunke med en maksimal udgangseffekt på 480 kW og en maksimal udgangsstrøm på 670 A. Dette system kan give en 200-kilometer køreafstand til en bil inden for 5 minutter efter opladning. Ifølge den officielle erklæring kan 4C-modellen oplade fra 10 % til 80 % på mindre end 15 minutter, hvilket hævdes at være den hurtigste masseproducerede-opladningshastighed for elektriske køretøjer på verdensplan. 3C-modellen er også udstyret med en 800V højspændingsplatform, med en maksimal ladeeffekt på omkring 300 kW. Den kan tilføje 130 kilometers køreafstand inden for 5 minutter efter opladning og oplade fra 10 % til 80 % på 20 minutter.
II. Indvirkningen af hurtig opladning på batteriets levetid
Selvom hurtigopladningsteknologi i høj grad forbedrer opladningseffektiviteten, kan dens indvirkning på batteriets levetid ikke ignoreres. Under hurtig opladning får en stor strøm lithium-ioner til hurtigt at indlejre sig i anoden. Hvis temperaturkontrollen er utilstrækkelig, kan lithiummetal aflejres på anodeoverfladen og danne dendritter, der potentielt kan punktere separatoren, hvilket kan føre til interne kortslutninger og accelerere forringelse af batteriets ydeevne. Derudover kan den varme, der genereres under hurtig opladning, hvis den ikke spredes i tide, fremskynde nedbrydningen af elektrolytten og ældningen af elektrodematerialer, hvilket forkorter batteriets cykluslevetid.
En undersøgelse viste, at for kørende-bilister af rene elektriske køretøjer med en gennemsnitlig daglig kilometertal på over 100 kilometer, oversteg brugsandelen af ultra-hurtig opladning 70 %. Sundhedsgraden af deres-strømbatterier faldt fra 100 % for nye biler til 85 % inden for to år med et gennemsnitligt årligt fald på 7,5 %. Den seneste forskning fra professor Ouyang Minggaos team på Tsinghua University afslørede dog, at hyppig brug af ultra-hurtig opladning over 120 kW kan forkorte batteriets cykluslevetid med 40 % sammenlignet med langsom opladning.
Ikke desto mindre viser nogle undersøgelser, at virkningen af hurtig opladning på batteriets levetid ikke er absolut. En sporingsundersøgelse udført af Recurring Automatic på titusindvis af Teslaer fandt ud af, at forskellen i batterilevetid mellem hurtig opladning og langsom opladning faktisk er ubetydelig. Selv for kommercielle-køretøjer, der hurtigt-oplades 1-2 gange dagligt, svarer deres batteriudskiftningscyklusser til privatbilers. Dette tilskrives hovedsageligt de effektive temperaturkontrolsystemer, der effektivt afbøder de negative virkninger af hurtig opladning.
III. Tekniske strategier til balancering mellem effektivitet og levetid
For at finde en balance mellem hurtigopladningseffektivitet og batterilevetid har industrien og virksomhederne vedtaget en række tekniske strategier.
Med hensyn til materialeinnovation anvender CATLs ultra-hurtige opladningsteknologi en ultra-elektronnetværkskatodeteknologi og en anden-generations grafit hurtigionringanodeteknologi, hvilket yderligere forbedrer den elektrokemiske reaktionseffektivitet og opladningseffektiviteten. Ultra-elektronnetværket med sin fuldt nanometeriserede materialeoverflade konstruerer et godt-forbundet elektronnetværk, hvilket væsentligt forbedrer katodematerialets reaktionshastighed på opladningssignaler og lithiumiondesorptionshastigheden. Det hurtige ionring-modificerede porøse belægningslag på anodematerialets overflade giver rigelige aktive steder for lithiumionbytning, hvilket i høj grad øger lithiumionladningsudvekslingshastigheden og indlejringshastigheden.
I design af batteristruktur udviklede professor Chao-Yang Wangs team et "alt-klima"-batteri. De indsatte en 50-mikrometer-tyk nikkelfolie inde i batteriet, som effektivt kan selv{10}opvarme. Når strømmen tændes ved lave temperaturer, strømmer den gennem nikkelfolien og genererer varme. Når batteriets indre temperatur overstiger 60 grader, udløses temperatursensoren for at afbryde strømmen, der løber gennem nikkelfolien. Dette batteri kan selvopvarme til 60 grader inden for 30 sekunder uden at gå på kompromis med dets ydeevne og levetid ved normale temperaturer. Denne proces kræver ikke hjælp fra eksternt varmeudstyr eller tilsætning af specielle additiver til elektrolytten.
Med hensyn til batterivarmestyringssystemer (BMS) har nogle bilproducenter introduceret en "ultra-hurtig opladningsbeskyttelsestilstand". Når batteriopladningen er under 20 %, er opladningseffekten begrænset til 60 kW for at undgå nogle batteriskadelige-problemer. Andre anvender batterifor-opvarmningsteknologi, som forbedrer hurtigopladningseffektiviteten med 35 % i miljøer ved -10 grader, samtidig med at batteriets nedbrydningshastighed reduceres med 30 %.
IV. Brugerstrategier og Industry Outlook
For brugerne er rimelig brug af hurtig opladning afgørende for at forlænge batteriets levetid. Professor Qilu, direktør for New Energy Materials and Technology Laboratory ved Peking University, udtalte, at bilejere bør begrænse andelen af ultra-hurtig opladning til inden for 40 %. Når tiden tillader det, bør langsom opladning anvendes så meget som muligt. Især bør ultra-hurtig opladning undgås, når batteriopladningen er under 10 % eller over 90 %, da brug af ultra-hurtig opladning i dette område kan forårsage større skade på batteriet.
Fra et industriperspektiv, gennem kommerciel modelinnovation, såsom vedtagelse af en batterileasingmodel, kan bilproducenter gå fra at "sælge produkter" til "sælge tjenester". Køretøjs-batteriadskillelsesmodellen kan reducere brugernes følsomhed over for batterigarantier og samtidig få virksomheder til at forbedre modenheden af hurtigopladningsteknologier.
I fremtiden vil balancen mellem hurtig opladningseffektivitet og batterilevetid for lithium-ion-batterier blive yderligere optimeret med kontinuerlige teknologiske fremskridt. Fremkomsten af nye materialer og teknologier, såsom silicium-baserede anoder og solid-batterier, forventes fundamentalt at løse levetidsproblemerne forårsaget af hurtig opladning. Samtidig vil den kontinuerlige forbedring af intelligente temperaturstyringssystemer, dynamisk effektjustering og andre teknologier give stærkere støtte til den opladningsteknologiske revolution af lithium-ion-batterier.
I denne opladningsteknologiske revolution bevæger lithium-ion-batterier sig gradvist mod en perfekt balance mellem effektivitet og levetid. Industrien og virksomhederne skal løbende innovere, og brugerne skal også bruge dem fornuftigt til i fællesskab at fremme en bæredygtig udvikling af den nye energibilindustri.
