I den nuvarande eran av den kraftfulla utvecklingen av den nya energifordonsindustrin står litium-jonbatterier, som kärnkraftkällan, inför den kritiska utmaningen att balansera laddningseffektivitet och livslängd. Med konsumenternas ökande krav på längre räckvidder och snabbare laddningshastigheter, samt marknadens fokus på batterilivslängd och kostnadseffektivitet, genomgår laddningstekniken för litium-jonbatterier en djupgående revolution. Hur man säkerställer hög-effektiv laddning samtidigt som batteriets livslängd förlängs har blivit en akut fråga som branschen måste ta itu med.
I. Snabbladdningsteknik: Drivkraften för effektivitetsförbättring
Under de senaste åren har betydande framsteg gjorts inom snabbladdningstekniken för litium-jonbatterier. Ta CATL som ett exempel. Dess "Shenxing" ultra-snabbladdningsbatteri har uppnått en ultra-snabb laddningshastighet på "10-minutersladdning för en 400-kilometers räckvidd". Även i kalla miljöer vid -10 grader kan den laddas till 80 % av kapaciteten inom 30 minuter. I april 2024 lanserade CATL Shenxing PLUS-batteriet, vilket ytterligare förbättrade räckvidden till 1 000 kilometer samtidigt som den ultra-snabbladdningsegenskapen att ladda till 60 % av kapaciteten inom 10 minuter bibehölls. Dessutom har CATL och SAIC-GM samarbetat för att introducera ett 6C ultrasnabbladdande litiumjärnfosfatbatteri, som är planerat att användas i den uppgraderade Ultium kvasi-900V högspänningsbatteriarkitekturen 2025. Detta batteri kan laddas helt inom 10 minuter, vilket ger en räckvidd på 200 kilometer från 5 minuter.
Forskargruppen ledd av professor Chao-Yang Wang vid Pennsylvania State University har också gjort anmärkningsvärda framgångar. De fann att om ett batteri snabbt kan värmas upp till 60 grader innan det laddas, laddas med snabb hastighet i 10 minuter och sedan snabbt kyls till omgivningstemperaturen, kan termisk nedbrytning av batteriet undvikas, och allvarlig tillväxt av den fasta elektrolytinterfasfilmen (SEI) kan förhindras. Efter upprepade tester genomförde teamet isotermiska laddningstester på tre typer av batterier vid 40 grader, 49 grader och 60 grader, med laddning vid 20 grader som kontroll. Därefter plockades batterierna isär för att kontrollera litiumplätering. Resultaten visade att efter 2500 cykler av extrem snabbladdning (6C, 4,2V) vid 60 grader i 10 minuter, behöll batteriet med hög-energi-densitet med en kapacitet på 209 Wh/kg fortfarande 91,7 % av sin kapacitet, med endast 8,3 % kapacitetsförlust. Detta överskred vida målet "500 cykler, 20 % kapacitetsförlust" som satts av US Department of Energy (DOE), och ingen litiumplätering observerades under laddningsprocessen.
Varumärken som XPENG och NIO har också uppnått genombrott inom ultra-snabbladdning. XPENG lanserade sin S4 ultra-snabbladdningshög, med en maximal uteffekt på 480 kW och en maximal utström på 670 A. Detta system kan ge en 200-kilometers räckvidd för en bil inom 5 minuter efter laddning. Enligt det officiella uttalandet kan 4C-modellen ladda från 10 % till 80 % på mindre än 15 minuter, vilket påstås vara den snabbaste massproducerade-elektriska laddningshastigheten för elfordon i världen. 3C-modellen är också utrustad med en 800V högspänningsplattform, med en toppladdningseffekt på cirka 300 kW. Den kan lägga till 130 kilometers körräckvidd inom 5 minuter efter laddning och ladda från 10 % till 80 % på 20 minuter.
II. Hur snabb laddning påverkar batteriets livslängd
Även om snabbladdningstekniken avsevärt förbättrar laddningseffektiviteten, kan dess inverkan på batteriets livslängd inte ignoreras. Under snabbladdning får en stor ström litiumjoner att snabbt bädda in i anoden. Om temperaturkontrollen är otillräcklig kan litiummetall avsättas på anodens yta och bilda dendriter som potentiellt kan punktera separatorn, vilket leder till interna kortslutningar och accelererar försämring av batteriets prestanda. Dessutom kan värmen som genereras under snabbladdning, om den inte försvinner i tid, påskynda nedbrytningen av elektrolyten och åldrandet av elektrodmaterial, vilket förkortar batteriets livslängd.
En undersökning visade att för åkande-förare av rena elfordon med en genomsnittlig daglig körsträcka över 100 kilometer, översteg användningsandelen för ultra-snabbladdning 70 %. Hälsograden för deras-batterier ombord sjönk från 100 % för nya bilar till 85 % inom två år, med en genomsnittlig årlig minskning på 7,5 %. Den senaste forskningen av professor Ouyang Minggaos team vid Tsinghua University visade dock att frekvent användning av ultra-snabbladdning över 120 kW kan förkorta batteriets livslängd med 40 % jämfört med långsam laddning.
Ändå visar vissa studier att effekten av snabbladdning på batteriets livslängd inte är absolut. En spårningsstudie utförd av Recurring Automatic på tiotusentals Teslas visade att skillnaden i batterilivslängd mellan snabbladdning och långsam laddning faktiskt är försumbar. Även för kommersiella-bilar som laddas-snabbt 1–2 gånger dagligen, liknar deras batteribytescykler som för privata bilar. Detta tillskrivs främst de effektiva temperaturkontrollsystemen som effektivt mildrar de negativa effekterna av snabbladdning.
III. Tekniska strategier för att balansera effektivitet och livslängd
För att hitta en balans mellan snabbladdningseffektivitet och batterilivslängd har industrin och företagen antagit en rad tekniska strategier.
När det gäller materialinnovation använder CATL:s ultra-snabbladdningsteknik en ultra-elektronnätverkskatodteknik och en andra-generations grafit snabbjonringanodteknik, vilket ytterligare förbättrar den elektrokemiska reaktionseffektiviteten och laddningseffektiviteten. Ultra-elektronnätverket, med sin helt nanometeriserade materialyta, konstruerar ett väl-anslutet elektronnätverk, vilket avsevärt förbättrar katodmaterialets svarshastighet på laddningssignaler och litiumjondesorptionshastigheten. Det snabba jonringen-modifierade porösa beläggningsskiktet på anodmaterialets yta ger rikligt med aktiva platser för litiumjonbyte, vilket kraftigt ökar litiumjonladdningsbyteshastigheten och inbäddningshastigheten.
Inom batteristrukturdesign utvecklade professor Chao-Yang Wangs team ett "all-klimatbatteri". De satte in en 50-mikrometer-tjock nickelfolie inuti batteriet, som effektivt kan självvärma upp.{10} När strömmen slås på vid låga temperaturer flyter den genom nickelfolien och genererar värme. När den interna temperaturen i batteriet överstiger 60 grader, utlöses temperatursensorn för att stänga av strömmen som flyter genom nickelfolien. Detta batteri kan självuppvärmas till 60 grader inom 30 sekunder utan att kompromissa med dess prestanda och livslängd vid normala temperaturer. Denna process kräver inte hjälp av extern uppvärmningsutrustning eller tillsats av speciella tillsatser till elektrolyten.
När det gäller batterivärmehanteringssystem (BMS) har vissa biltillverkare infört ett "skyddsläge för ultra-snabbladdning". När batteriladdningen är under 20 % begränsas laddningseffekten till 60 kW för att undvika vissa batteriskada-problem. Andra använder batteriförvärmningsteknik-, som förbättrar snabbladdningseffektiviteten med 35 % i miljöer vid -10 grader samtidigt som batteriets urladdningshastighet minskar med 30 %.
IV. Användaranvändningsstrategier och Industry Outlook
För användarna är rimlig användning av snabbladdning avgörande för att förlänga batteriets livslängd. Professor Qilu, chef för New Energy Materials and Technology Laboratory vid Peking University, sade att bilägare bör begränsa andelen ultra-snabbladdningsanvändning till inom 40 %. När tiden tillåter bör långsam laddning användas så mycket som möjligt. Speciellt bör ultra-snabbladdning undvikas när batteriladdningen är under 10 % eller över 90 %, eftersom användning av ultra-snabbladdning inom detta område kan orsaka större skada på batteriet.
Ur ett industriperspektiv, genom kommersiell modellinnovation, som att anta en batterileasingmodell, kan biltillverkare gå över från att "sälja produkter" till "sälja tjänster". Modellen för -batteriseparering av fordon kan minska användarnas känslighet för batterigarantier samtidigt som den driver företag att förbättra mognadstekniken för snabbladdning.
I framtiden, med kontinuerliga tekniska framsteg, kommer balansen mellan snabbladdningseffektivitet och batterilivslängd för litium-jonbatterier att optimeras ytterligare. Framväxten av nya material och tekniker, som kisel-baserade anoder och solid-batterier, förväntas i grunden lösa livslängdsproblemen som orsakas av snabbladdning. Samtidigt kommer den kontinuerliga förbättringen av intelligenta temperaturkontrollsystem, dynamisk effektjustering och andra tekniker att ge starkare stöd för laddningsteknikrevolutionen av litium-jonbatterier.
I den här laddningsteknikrevolutionen rör sig litium-jonbatterier gradvis mot en perfekt balans mellan effektivitet och livslängd. Industrin och företagen behöver ständigt förnya sig, och användarna måste också använda dem på ett rimligt sätt för att gemensamt främja en hållbar utveckling av den nya energifordonsindustrin.
