V sedanjem obdobju močnega razvoja industrije novih energetskih vozil se litij-ionske baterije kot osrednji vir energije soočajo s kritičnim izzivom uravnoteženja učinkovitosti polnjenja in življenjske dobe. Z naraščajočimi zahtevami potrošnikov po daljšem dosegu vožnje in hitrejših hitrostih polnjenja ter osredotočenostjo trga na življenjsko dobo baterije in stroškovno-učinkovitost, tehnologija polnjenja litij-ionskih baterij doživlja globoko revolucijo. Kako zagotoviti visoko-učinkovito polnjenje ob podaljšanju življenjske dobe baterije, je postalo nujno vprašanje, ki ga mora obravnavati industrija.
I. Tehnologija hitrega polnjenja: gonilna sila za izboljšanje učinkovitosti
V zadnjih letih je bil dosežen velik napredek pri tehnologiji hitrega polnjenja litij{0}}ionskih baterij. Vzemite CATL kot primer. Njegova ultra-hitra polnilna baterija »Shenxing« je dosegla ultra-hitrost polnjenja »10-minutnega polnjenja za 400-kilometrski doseg«. Tudi v hladnih okoljih pri -10 stopinjah se lahko napolni do 80 % zmogljivosti v 30 minutah. Aprila 2024 je CATL lansiral baterijo Shenxing PLUS, ki je dodatno povečala doseg vožnje na 1000 kilometrov, medtem ko je ohranila značilnost ultra-hitrega polnjenja, ki napolni do 60 % zmogljivosti v 10 minutah. Poleg tega sta CATL in SAIC-GM sodelovala pri uvedbi 6C ultra-hitre polnilne litij-železove fosfatne baterije, ki naj bi se leta 2025 uporabljala v nadgrajeni visokonapetostni baterijski arhitekturi Ultium quasi-900V. To baterijo je mogoče popolnoma napolniti v 10 minutah in v 5 minutah dodati 200 kilometrov dosega.
Raziskovalna skupina, ki jo vodi profesor Chao-Yang Wang na Pennsylvania State University, je prav tako dosegla izjemne dosežke. Ugotovili so, da če je mogoče baterijo pred polnjenjem hitro segreti na 60 stopinj, jo hitro polniti 10 minut in nato hitro ohladiti na temperaturo okolja, se je mogoče izogniti termični razgradnji baterije in preprečiti resno rast filma medfaze trdnega elektrolita (SEI). Po ponovljenih preizkusih je skupina izvedla teste izotermnega polnjenja treh vrst električnih baterij pri 40 stopinjah, 49 stopinjah in 60 stopinjah, pri čemer je kot kontrolo uporabila polnjenje pri 20 stopinjah. Kasneje so bile baterije razstavljene, da bi preverili, ali so prevlečene z litijem. Rezultati so pokazali, da je po 2500 ciklih izjemno hitrega polnjenja (6C, 4,2 V) pri 60 stopinjah za 10 minut baterija z visoko-energijsko-gostoto z zmogljivostjo 209 Wh/kg še vedno ohranila 91,7 % svoje zmogljivosti s samo 8,3 % izgubo zmogljivosti. To je močno preseglo cilj »500 ciklov, 20-odstotna izguba zmogljivosti«, ki ga je določilo ameriško ministrstvo za energijo (DOE), med postopkom polnjenja pa ni bilo opaziti litijeve prevleke.
Znamke, kot sta XPENG in NIO, so prav tako dosegle preboj na področju ultra-hitrega polnjenja. XPENG je lansiral svoj kup ultra-hitrih polnilnikov S4 z največjo izhodno močjo 480 kW in največjim izhodnim tokom 670 A. Ta sistem lahko zagotovi 200-kilometrski doseg avtomobila v 5 minutah po polnjenju. Glede na uradno izjavo lahko model 4C napolni od 10 % do 80 % v manj kot 15 minutah, kar naj bi bila najhitrejša-hitrost polnjenja električnih vozil v masovni proizvodnji na svetu. Model 3C je opremljen tudi z 800 V visokonapetostno platformo, z najvišjo močjo polnjenja okoli 300 kW. V 5 minutah polnjenja lahko doda 130 kilometrov dosega in se v 20 minutah napolni z 10 % na 80 %.
II. Vpliv hitrega polnjenja na življenjsko dobo baterije
Čeprav tehnologija hitrega polnjenja močno izboljša učinkovitost polnjenja, ni mogoče prezreti njenega vpliva na življenjsko dobo baterije. Med hitrim polnjenjem velik tok spodbudi litijeve ione, da se hitro vgradijo v anodo. Če nadzor temperature ni ustrezen, se lahko kovinski litij odloži na površino anode in tvori dendrite, ki bi lahko predrli separator, kar bi povzročilo notranje kratke stike in pospešilo poslabšanje delovanja baterije. Poleg tega lahko toplota, ki nastane med hitrim polnjenjem, če se ne razprši pravočasno, pospeši razgradnjo elektrolita in staranje materialov elektrod, kar skrajša življenjsko dobo baterije.
Raziskava je pokazala, da je pri vozni-voznikih povsem električnih vozil s povprečno dnevno kilometrino, ki presega 100 kilometrov, delež uporabe ultra-hitrega polnjenja presegel 70 %. Stopnja zdravja njihovih-napajalnih baterij je padla s 100 % pri novih avtomobilih na 85 % v dveh letih, s povprečnim letnim padcem za 7,5 %. Vendar pa je najnovejša raziskava ekipe profesorja Ouyanga Minggaoja na univerzi Tsinghua pokazala, da lahko pogosta uporaba ultra{10}}hitrega polnjenja nad 120 kW skrajša življenjsko dobo baterije za 40 % v primerjavi s počasnim polnjenjem.
Kljub temu nekatere študije kažejo, da vpliv hitrega polnjenja na življenjsko dobo baterije ni absoluten. Študija sledenja, ki jo je izvedel Recurring Automatic na več deset tisoč Teslah, je pokazala, da je razlika v življenjski dobi baterije med hitrim in počasnim polnjenjem pravzaprav zanemarljiva. Celo pri komercialnih-vozilih, ki se hitro-polnijo 1-2-krat na dan, so njihovi cikli zamenjave akumulatorja podobni kot pri osebnih avtomobilih. To gre pripisati predvsem učinkovitim sistemom za nadzor temperature, ki učinkovito blažijo negativne vplive hitrega polnjenja.
III. Tehnične strategije za uravnoteženje učinkovitosti in življenjske dobe
Da bi našli ravnotežje med učinkovitostjo hitrega polnjenja in življenjsko dobo baterije, so industrija in podjetja sprejela vrsto tehničnih strategij.
Kar zadeva inovacije materialov, CATL-ova ultra{0}}tehnologija hitrega polnjenja uporablja tehnologijo ultra-elektronske mreže katode in drugo-generacijo tehnologije grafitne hitre ionske obročaste anode, kar dodatno povečuje učinkovitost elektrokemične reakcije in učinkovitost polnjenja. Ultra-elektronsko omrežje s svojo popolnoma nanometrizirano površino materiala gradi dobro-povezano elektronsko omrežje, ki bistveno izboljša hitrost odziva katodnega materiala na signale polnjenja in stopnjo desorpcije litijevega iona. Porozna prevleka s hitrim ionskim obročem-na površini anodnega materiala zagotavlja obilo aktivnih mest za izmenjavo litijevih ionov, kar močno poveča hitrost izmenjave naboja litijevega iona in stopnjo vdelave.
Pri načrtovanju strukture baterije je ekipa profesorja Chao-Yang Wanga razvila baterijo, ki je popolnoma-klimatska. V baterijo so vstavili 50-mikrometrov-debelo nikljevo folijo, ki se lahko učinkovito samo-greje. Ko je tok vklopljen pri nizkih temperaturah, teče skozi nikljevo folijo in ustvarja toploto. Ko notranja temperatura baterije preseže 60 stopinj, se sproži temperaturni senzor, da prekine tok, ki teče skozi nikljevo folijo. Ta baterija se lahko sama segreje na 60 stopinj v 30 sekundah, ne da bi ogrozila njeno delovanje in življenjsko dobo pri normalnih temperaturah. Ta postopek ne zahteva pomoči zunanje grelne opreme ali dodajanja posebnih dodatkov elektrolitu.
Kar zadeva sisteme za upravljanje toplote akumulatorja (BMS), so nekateri proizvajalci avtomobilov uvedli »način zaščite ultra-hitrega polnjenja«. Ko je napolnjenost baterije nižja od 20 %, je moč polnjenja omejena na 60 kW, da se izognete nekaterim-poškodbam baterije. Drugi uporabljajo tehnologijo pred-ogrevanja baterije, ki izboljša učinkovitost hitrega polnjenja za 35 % v okoljih pri -10 stopinjah, hkrati pa zmanjša stopnjo razpada baterije za 30 %.
IV. Strategije uporabe uporabnikov in napovedi industrije
Za uporabnike je razumna uporaba hitrega polnjenja ključnega pomena za podaljšanje življenjske dobe baterije. Profesor Qilu, direktor Laboratorija za nove energetske materiale in tehnologijo na univerzi v Pekingu, je izjavil, da bi morali lastniki avtomobilov omejiti delež uporabe ultra-hitrega polnjenja na 40 %. Kadar čas dopušča, je treba čim bolj uporabljati počasno polnjenje. Še posebej se je treba izogibati ultra-hitremu polnjenju, ko je napolnjenost baterije pod 10 % ali nad 90 %, saj lahko uporaba ultra-hitrega polnjenja v tem obsegu povzroči večjo škodo na bateriji.
Z vidika industrije lahko proizvajalci avtomobilov prek inovacij komercialnih modelov, kot je sprejetje modela lizinga baterij, preidejo iz "prodaje izdelkov" na "prodajo storitev". Model ločevanja akumulatorjev v vozilih-lahko zmanjša občutljivost uporabnikov na garancije za akumulatorje, hkrati pa spodbuja podjetja k izboljšanju zrelosti tehnologij hitrega polnjenja.
V prihodnosti bo z nenehnim tehnološkim napredkom ravnotežje med učinkovitostjo hitrega polnjenja in življenjsko dobo baterije za litij-ionske baterije še optimizirano. Pojav novih materialov in tehnologij, kot so anode na osnovi silicija-in polprevodniške-baterije, naj bi temeljito rešil težave z življenjsko dobo, ki jih povzroča hitro polnjenje. Hkrati bo nenehno izboljševanje inteligentnih sistemov za nadzor temperature, dinamično prilagajanje moči in druge tehnologije zagotovilo močnejšo podporo revoluciji tehnologije polnjenja litij-ionskih baterij.
V tej revoluciji tehnologije polnjenja se litij-ionske baterije postopoma približujejo popolnemu ravnovesju med učinkovitostjo in življenjsko dobo. Industrija in podjetja morajo nenehno uvajati inovacije, uporabniki pa jih morajo tudi razumno uporabljati za skupno spodbujanje trajnostnega razvoja industrije novih energetskih vozil.
