در عصر کنونی توسعه شدید صنعت خودروهای انرژی جدید، باتریهای لیتیوم{0}یون به عنوان منبع اصلی انرژی، با چالش حیاتی متعادل کردن راندمان شارژ و طول عمر مواجه هستند. با تقاضای فزاینده مصرفکنندگان برای مسافتهای رانندگی طولانیتر و سرعتهای شارژ سریعتر، و همچنین تمرکز بازار بر طول عمر باتری و کارایی{2}}هزینه، فنآوری شارژ باتریهای لیتیوم-یون در حال دستخوش انقلابی عمیق است. نحوه اطمینان از شارژ با کارایی بالا و افزایش طول عمر باتری به یک مسئله فوری تبدیل شده است که صنعت باید به آن رسیدگی کند.
I. فناوری شارژ سریع: نیروی محرکه برای بهبود کارایی
در سالهای اخیر، پیشرفت قابل توجهی در فناوری شارژ سریع باتریهای لیتیوم{0} یون صورت گرفته است. به عنوان مثال CATL را در نظر بگیرید. باتری{3}}شارژ فوق سریع "Shenxing" آن به سرعت شارژ{4} فوق العاده سریع "10{14}}دقیقه شارژ برای مسافت رانندگی 400-کیلومتر دست یافته است". حتی در محیطهای سرد در دمای -10 درجه، میتواند تا 80 درصد ظرفیت ظرف 30 دقیقه شارژ شود. در آوریل 2024، CATL باتری Shenxing PLUS را راهاندازی کرد و برد رانندگی را تا 1000 کیلومتر افزایش داد و در عین حال ویژگی شارژ فوقالعاده سریع شارژ را تا 60 درصد ظرفیت ظرف 10 دقیقه حفظ کرد. علاوه بر این، CATL و SAIC-GM برای معرفی یک باتری لیتیوم آهن فسفات با شارژ فوقالعاده 6C همکاری کردهاند، که قرار است در معماری باتری ولتاژ بالا Ultium ارتقا یافته در سال 2025 استفاده شود. این باتری را میتوان در عرض 10 دقیقه طی 20 دقیقه رانندگی به طور کامل شارژ کرد و به برد آن اضافه کرد.
تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور چائو-یانگ وانگ در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا نیز به دستاوردهای قابل توجهی دست یافته است. آنها دریافتند که اگر یک باتری را بتوان به سرعت تا 60 درجه قبل از شارژ گرم کرد، با سرعت سریع به مدت 10 دقیقه شارژ کرد و سپس به سرعت تا دمای محیط خنک شد، می توان از تخریب حرارتی باتری جلوگیری کرد و از رشد جدی لایه بین فاز الکترولیت جامد (SEI) جلوگیری کرد. پس از آزمایشهای مکرر، تیم آزمایشهای شارژ همدما را بر روی سه نوع باتری قدرت در 40 درجه، 49 درجه و 60 درجه با استفاده از شارژ در 20 درجه به عنوان کنترل انجام داد. پس از آن، باتری ها برای بررسی آبکاری لیتیوم از هم جدا شدند. نتایج نشان داد که پس از 2500 چرخه شارژ سریع شدید (6 درجه سانتیگراد، 4.2 ولت) در 60 درجه به مدت 10 دقیقه، باتری با چگالی بالا{16} با ظرفیت 209 وات ساعت بر کیلوگرم همچنان 91.7 درصد ظرفیت خود را حفظ کرده است و تنها 8.3 درصد کاهش ظرفیت دارد. این مقدار بسیار فراتر از هدف "500 چرخه، 20٪ کاهش ظرفیت" تعیین شده توسط وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) بود و هیچ آبکاری لیتیومی در طول فرآیند شارژ مشاهده نشد.
برندهایی مانند XPENG و NIO نیز در زمینه شارژ{0} سریع به پیشرفتهایی دست یافتهاند. XPENG شمع شارژ سریع-S4 خود را با حداکثر توان خروجی 480 کیلو وات و حداکثر جریان خروجی 670 A راه اندازی کرد. این سیستم می تواند طی 5 دقیقه پس از شارژ، مسافت 200{14}}کیلومتری را برای خودرو فراهم کند. طبق بیانیه رسمی، مدل 4C میتواند از 10 تا 80 درصد در کمتر از 15 دقیقه شارژ شود، که ادعا میشود سریعترین سرعت شارژ انبوه{18} وسیله نقلیه الکتریکی تولید شده در جهان است. مدل 3C همچنین به یک پلت فرم ولتاژ بالا 800 ولت با حداکثر توان شارژ حدود 300 کیلو وات مجهز شده است. میتواند در عرض 5 دقیقه پس از شارژ 130 کیلومتر مسافت رانندگی اضافه کند و در 20 دقیقه از 10 درصد به 80 درصد شارژ شود.
II. تاثیر شارژ سریع بر طول عمر باتری
اگرچه فناوری شارژ سریع راندمان شارژ را تا حد زیادی بهبود می بخشد، اما تاثیر آن بر طول عمر باتری را نمی توان نادیده گرفت. در طول شارژ سریع، یک جریان زیاد باعث می شود یون های لیتیوم به سرعت در آند جاسازی شوند. اگر کنترل دما ناکافی باشد، ممکن است فلز لیتیوم روی سطح آند رسوب کند و دندریت هایی را تشکیل دهد که به طور بالقوه می تواند جداکننده را سوراخ کند و منجر به اتصال کوتاه داخلی و تسریع تخریب عملکرد باتری شود. علاوه بر این، گرمای تولید شده در طول شارژ سریع، اگر به موقع از بین نرود، می تواند تجزیه الکترولیت و پیر شدن مواد الکترود را تسریع کند و عمر چرخه باتری را کوتاه کند.
یک نظرسنجی نشان داد که برای رانندگان سواری-دارای وسایل نقلیه الکتریکی خالص با میانگین مسافت پیموده شده روزانه بیش از 100 کیلومتر، نسبت استفاده از شارژ سریع-از 70 درصد فراتر رفت. درجه سلامت باتریهای{5} روی برد آنها از 100٪ برای خودروهای جدید به 85٪ در عرض دو سال، با میانگین کاهش سالانه 7.5٪ کاهش یافت. با این حال، آخرین تحقیقات تیم پروفسور اویانگ مینگگائو در دانشگاه تسینگهوا نشان داد که استفاده مکرر از{10}شارژ فوق سریع بالای 120 کیلووات میتواند عمر چرخه باتری را تا 40 درصد در مقایسه با شارژ آهسته کاهش دهد.
با این وجود، برخی از مطالعات نشان می دهد که تاثیر شارژ سریع بر طول عمر باتری مطلق نیست. یک مطالعه ردیابی که توسط Recurring Automatic روی دهها هزار تسلا انجام شد، نشان داد که تفاوت در طول عمر باتری بین شارژ سریع و شارژ آهسته در واقع ناچیز است. حتی برای سواری تجاری-وسایل نقلیه تگرگ که سریع-1 تا 2 بار در روز شارژ میشوند، چرخههای تعویض باتری آنها مشابه اتومبیلهای شخصی است. این عمدتاً به سیستم های کنترل دما کارآمد نسبت داده می شود که به طور موثر اثرات منفی شارژ سریع را کاهش می دهند.
III. استراتژی های فنی برای متعادل کردن کارایی و طول عمر
برای یافتن تعادل بین راندمان شارژ سریع و طول عمر باتری، صنعت و شرکت ها یک سری از استراتژی های فنی را اتخاذ کرده اند.
از نظر نوآوری در مواد، فناوری شارژ فوق سریع-CATL از فناوری کاتد شبکه الکترونی فوقالعاده-و فناوری آند حلقه یونی سریع گرافیت نسل دوم استفاده میکند که بازده واکنش الکتروشیمیایی و راندمان شارژ را افزایش میدهد. شبکه فوق{4}الکترون، با سطح مواد کاملاً نانومتری خود، یک شبکه الکترونی به خوبی متصل میسازد که به طور قابل توجهی سرعت پاسخ ماده کاتدی به سیگنالهای شارژ و نرخ دفع یون لیتیوم را بهبود میبخشد. لایه پوشش متخلخل اصلاح شده با حلقه یونی سریع-روی سطح ماده آند، مکانهای فعال فراوانی را برای تبادل یون لیتیوم فراهم میکند و سرعت تبادل بار یون لیتیوم و نرخ جاسازی را به شدت افزایش میدهد.
در طراحی ساختار باتری، تیم پروفسور چائو-یانگ وانگ یک باتری "همه-آب و هوا" توسعه دادند. آنها یک فویل نیکل به ضخامت 50-میکرو متر-در داخل باتری قرار دادند که میتواند به طور مؤثر{10}}خود گرم شود. هنگامی که جریان در دماهای پایین روشن می شود، از طریق فویل نیکل جریان می یابد و گرما تولید می کند. هنگامی که دمای داخلی باتری از 60 درجه فراتر رفت، سنسور دما فعال می شود تا جریان عبوری از فویل نیکل را قطع کند. این باتری می تواند در عرض 30 ثانیه تا 60 درجه خود گرم شود بدون اینکه عملکرد و طول عمر آن در دمای معمولی به خطر بیفتد. این فرآیند به کمک تجهیزات گرمایش خارجی یا افزودن مواد افزودنی خاص به الکترولیت نیاز ندارد.
از نظر سیستم های مدیریت حرارتی باتری (BMS)، برخی از خودروسازان یک "حالت حفاظت از شارژ سریع{0}" را معرفی کرده اند. هنگامی که شارژ باتری کمتر از 20٪ است، قدرت شارژ به 60 کیلو وات محدود می شود تا از برخی مشکلات{4} آسیب باتری جلوگیری شود. برخی دیگر از فناوری گرمایش پیش{6} باتری استفاده میکنند که راندمان شارژ سریع را تا 35 درصد در محیطهای 10- درجه بهبود میبخشد در حالی که نرخ پوسیدگی باتری را تا 30 درصد کاهش میدهد.
IV. استراتژی های استفاده از کاربر و چشم انداز صنعت
برای کاربران، استفاده معقول از شارژ سریع برای افزایش طول عمر باتری بسیار مهم است. پروفسور کیلو، مدیر آزمایشگاه مواد و فناوری انرژی جدید در دانشگاه پکن، اظهار داشت که مالکان خودرو باید نسبت استفاده از شارژ سریع{1} را به 40% محدود کنند. هنگامی که زمان اجازه می دهد، باید تا حد امکان از شارژ آهسته استفاده کرد. به طور خاص، زمانی که شارژ باتری کمتر از 10 درصد یا بالاتر از 90 درصد است، از-شارژ فوق سریع باید اجتناب شود، زیرا استفاده از شارژ سریع{8} در این محدوده می تواند آسیب بیشتری به باتری وارد کند.
از منظر صنعت، از طریق نوآوری در مدل تجاری، مانند اتخاذ مدل لیزینگ باتری، خودروسازان می توانند از «فروش محصولات» به «فروش خدمات» تبدیل شوند. مدل{1}}تفکیک باتری خودرو میتواند حساسیت کاربران را نسبت به ضمانتهای باتری کاهش دهد و در عین حال شرکتها را به سمت بهبود بلوغ فناوریهای شارژ سریع سوق دهد.
در آینده، با پیشرفت مداوم فناوری، تعادل بین کارایی شارژ سریع و طول عمر باتری برای باتریهای لیتیوم{0} یون بیشتر بهینه خواهد شد. انتظار میرود که ظهور مواد و فناوریهای جدید، مانند-آندهای مبتنی بر سیلیکون و باتریهای حالت جامد{3}} مشکلات طول عمر ناشی از شارژ سریع را به طور اساسی حل کند. در عین حال، بهبود مستمر سیستمهای کنترل دما، تنظیم توان پویا و سایر فناوریها، پشتیبانی قویتری از انقلاب فناوری شارژ باتریهای لیتیوم{5} یونی فراهم میکند.
در این انقلاب فناوری شارژ، باتریهای لیتیوم{0} یونی به تدریج به سمت تعادل کامل بین کارایی و طول عمر حرکت میکنند. صنعت و شرکت ها نیاز به نوآوری مستمر دارند و کاربران نیز باید از آنها به طور منطقی برای ترویج مشترک توسعه پایدار صنعت خودروهای انرژی جدید استفاده کنند.
