V současné éře energického rozvoje odvětví nových energetických vozidel čelí lithium-iontové baterie jako hlavní zdroj energie zásadní výzvě spočívající v vyvážení účinnosti nabíjení a životnosti. S rostoucími požadavky spotřebitelů na delší dojezdy a vyšší rychlosti nabíjení a se zaměřením trhu na životnost baterie a nákladovou-efektivitu, prochází technologie nabíjení lithium-iontových baterií hlubokou revolucí. Jak zajistit vysoce{5}}účinné nabíjení a zároveň prodloužit životnost baterie se stalo naléhavým problémem, který musí toto odvětví řešit.
I. Technologie rychlého nabíjení: Hnací síla pro zlepšení účinnosti
V posledních letech došlo k významnému pokroku v technologii rychlého nabíjení lithium-iontových baterií. Vezměte si CATL jako příklad. Jeho ultra-rychlá nabíjecí baterie Shenxing dosáhla ultra-rychlosti nabíjení „10-minut nabíjení pro dojezd 400-kilometrů“. I v chladném prostředí při -10 stupních se dokáže nabít na 80 % kapacity během 30 minut. V dubnu 2024 společnost CATL uvedla na trh baterii Shenxing PLUS, která dále zvyšuje dojezd na 1 000 kilometrů při zachování charakteristiky ultra-rychlého nabíjení – nabití na 60 % kapacity během 10 minut. CATL a SAIC-GM navíc spolupracovaly na představení 6C ultrarychlého nabíjení lithium-železofosfátové baterie, jejíž použití v modernizované architektuře vysokonapěťových baterií Ultium kvazi-900V je plánováno na rok 2025. Tuto baterii lze plně nabít během 10 minut, čímž se během 5 minut zvýší dojezd na 200 kilometrů.
Pozoruhodných úspěchů dosáhl také výzkumný tým vedený profesorem Chao-Yang Wangem z Pennsylvania State University. Zjistili, že pokud lze baterii před nabíjením rychle zahřát na 60 stupňů, nabíjet vysokou rychlostí po dobu 10 minut a poté rychle zchladit na okolní teplotu, lze zabránit tepelné degradaci baterie a zabránit vážnému růstu mezifázového filmu pevného elektrolytu (SEI). Po opakovaných testech tým provedl izotermické nabíjecí testy na třech typech napájecích baterií při 40 stupních, 49 stupních a 60 stupních s použitím nabíjení při 20 stupních jako kontroly. Následně byly baterie rozebrány pro kontrolu lithiového pokovení. Výsledky ukázaly, že po 2500 cyklech extrémně rychlého nabíjení (6C, 4,2V) při 60 stupních po dobu 10 minut si vysoko-energetická-baterie s kapacitou 209 Wh/kg stále zachovala 91,7 % své kapacity, se ztrátou pouze 8,3 %. To daleko překročilo cíl „500 cyklů, 20% ztráta kapacity“ stanovený ministerstvem energetiky USA (DOE) a během procesu nabíjení nebylo pozorováno žádné pokovování lithiem.
Značky jako XPENG a NIO také dosáhly průlomu v ultra{0}}rychlém nabíjení. Společnost XPENG uvedla na trh svou ultra-rychlou nabíjecí hromadu S4 s maximálním výstupním výkonem 480 kW a maximálním výstupním proudem 670 A. Tento systém dokáže zajistit dojezd 200-kilometrů pro auto za 5 minut od nabití. Podle oficiálního prohlášení se model 4C dokáže nabít z 10 % na 80 % za méně než 15 minut, což je údajně nejrychlejší sériově{18}}vyráběná rychlost nabíjení elektromobilů na světě. Model 3C je také vybaven vysokonapěťovou platformou 800 V se špičkovým nabíjecím výkonem kolem 300 kW. Dokáže přidat 130 kilometrů dojezdu během 5 minut od nabití a nabít z 10 % na 80 % za 20 minut.
II. Vliv rychlého nabíjení na životnost baterie
Přestože technologie rychlého nabíjení výrazně zlepšuje účinnost nabíjení, nelze ignorovat její vliv na životnost baterie. Během rychlého nabíjení velký proud vyzve ionty lithia, aby se rychle začlenily do anody. Pokud je regulace teploty nedostatečná, může se na povrchu anody ukládat kov lithia a vytvářet dendrity, které by mohly potenciálně prorazit separátor, což by mohlo vést k vnitřním zkratům a urychlení degradace výkonu baterie. Kromě toho může teplo generované během rychlého nabíjení, pokud není včas rozptýleno, urychlit rozklad elektrolytu a stárnutí materiálů elektrod, což zkracuje životnost baterie.
Průzkum ukázal, že u{0}}jízdných řidičů čistě elektrických vozidel s průměrným denním nájezdem více než 100 kilometrů přesáhl podíl ultra{2}}rychlého nabíjení 70 %. Stupeň zdraví jejich palubních{5}}baterií klesl ze 100 % u nových aut na 85 % během dvou let, s průměrným ročním poklesem 7,5 %. Nejnovější výzkum týmu profesora Ouyanga Minggaa z univerzity Tsinghua však odhalil, že časté používání ultra{10}}rychlého nabíjení nad 120 kW může zkrátit životnost baterie o 40 % ve srovnání s pomalým nabíjením.
Některé studie však naznačují, že dopad rychlého nabíjení na životnost baterie není absolutní. Sledovací studie provedená společností Recurring Automatic na desítkách tisíc Tesl zjistila, že rozdíl v životnosti baterie mezi rychlým a pomalým nabíjením je ve skutečnosti zanedbatelný. Dokonce i u komerčních-vozidel, která jsou rychle{3}}nabíjena 1–2krát denně, jsou cykly výměny baterie podobné jako u soukromých automobilů. To je způsobeno především účinnými systémy regulace teploty, které účinně zmírňují negativní dopady rychlonabíjení.
III. Technické strategie pro vyvážení účinnosti a životnosti
K nalezení rovnováhy mezi účinností rychlého nabíjení a životností baterie přijal průmysl a podniky řadu technických strategií.
Pokud jde o materiálové inovace, ultra{0}}technologie rychlého nabíjení společnosti CATL využívá technologii ultra{1}}elektronové síťové katody a technologii grafitové rychlé iontové prstencové anody druhé-generace, což dále zvyšuje účinnost elektrochemických reakcí a účinnost nabíjení. Ultra-elektronová síť se svým plně nanometrickým povrchem materiálu vytváří dobře-propojenou elektronovou síť, což výrazně zlepšuje rychlost odezvy katodového materiálu na nabíjecí signály a rychlost desorpce lithných iontů. Rychlý iontový prstenec-modifikovaná porézní povlaková vrstva na povrchu anodového materiálu poskytuje hojná aktivní místa pro výměnu iontů lithia, což výrazně zvyšuje rychlost výměny náboje lithia a rychlost zalévání.
V oblasti návrhu struktury baterie vyvinul tým profesora Chao-Yang Wanga baterii pro všechny-klimaty. Do baterie vložili 50-mikrometrů-tloušťku niklové fólie, která se dokáže účinně zahřívat-. Když je proud zapnut při nízkých teplotách, protéká niklovou fólií a vytváří teplo. Jakmile vnitřní teplota baterie překročí 60 stupňů, spustí se teplotní senzor, který vypne proud protékající niklovou fólií. Tato baterie se dokáže sama zahřát na 60 stupňů během 30 sekund, aniž by došlo ke snížení výkonu a životnosti při normální teplotě. Tento proces nevyžaduje pomoc externího topného zařízení nebo přidávání speciálních přísad do elektrolytu.
Pokud jde o systémy řízení teploty baterie (BMS), některé automobilky zavedly „režim ochrany ultra-rychlého nabíjení“. Když je nabití baterie nižší než 20 %, nabíjecí výkon je omezen na 60 kW, aby se předešlo problémům s poškozením baterie-. Jiné využívají technologii předehřívání baterie{6}}, která zlepšuje účinnost rychlého nabíjení o 35 % v prostředích při teplotě -10 stupňů a zároveň snižuje míru vybíjení baterie o 30 %.
IV. Uživatelské strategie využití a výhled odvětví
Pro uživatele je rozumné používání rychlonabíjení zásadní pro prodloužení životnosti baterie. Profesor Qilu, ředitel New Energy Materials and Technology Laboratory na Pekingské univerzitě, uvedl, že majitelé automobilů by měli omezit podíl ultra{1}}rychlého nabíjení na 40 %. Když to čas dovolí, mělo by se co nejvíce používat pomalé nabíjení. Zejména ultra{5}}rychlému nabíjení byste se měli vyhnout, když je nabití baterie pod 10 % nebo nad 90 %, protože použití ultra{8}}rychlého nabíjení v tomto rozsahu může způsobit větší poškození baterie.
Z pohledu odvětví mohou výrobci automobilů prostřednictvím inovací komerčních modelů, jako je přijetí modelu leasingu baterií, přejít od „prodeje produktů“ k „prodeji služeb“. Model-oddělování baterie ve vozidle může snížit citlivost uživatelů na záruky na baterie a zároveň přimět podniky, aby zlepšily vyspělost technologií rychlého nabíjení.
V budoucnu, s neustálým technologickým pokrokem, bude rovnováha mezi účinností rychlého nabíjení a životností lithium{0}iontových baterií dále optimalizována. Očekává se, že problémy s životností způsobené rychlým nabíjením zásadně vyřeší nástup nových materiálů a technologií, jako jsou křemíkové -anody a polovodičové-baterie. Neustálé vylepšování inteligentních systémů regulace teploty, dynamického nastavování výkonu a dalších technologií zároveň poskytne silnější podporu revoluci technologie nabíjení lithium-iontových baterií.
V této revoluci technologie nabíjení se lithium-iontové baterie postupně posouvají k dokonalé rovnováze mezi účinností a životností. Průmysl a podniky musí neustále inovovat a uživatelé je také musí rozumně využívat ke společné podpoře udržitelného rozvoje odvětví nových energetických vozidel.
