電動(dòng)汽車司機(jī)將減少在充電站的時(shí)間，因?yàn)殡姵乜梢钥焖傺a(bǔ)充能量。

許多考慮購買電動(dòng)汽車的司機(jī)都會(huì)問一個(gè)關(guān)鍵問題:電池充電要多長時(shí)間？在長途旅行中，中途停留可能要30多分鐘，這取決于充電器。美國能源部(DOE)阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家正在研究加速充電的技術(shù)——這是加速電動(dòng)汽車(EV)廣泛采用和減少溫室氣體排放的重要一步。

通過Argonne的XCEL計(jì)劃進(jìn)行的研究已經(jīng)將能量密度新增了50%,或者說電池的行駛里程新增了50%,這是通過快速充電實(shí)現(xiàn)的。（圖片由SmileFight/Shutterstock供應(yīng)）

長途旅行能力不僅對通勤者和公路旅行者很重要。美國經(jīng)濟(jì)在很大程度上依靠卡車運(yùn)輸貨物，而該行業(yè)要為未來的電氣化車隊(duì)供應(yīng)快速充電時(shí)間。改善儲能將使車隊(duì)電氣化成為可能。

XCELLeadVenkatSrinivasan說："我們正在進(jìn)入電動(dòng)汽車和卡車必須快速充電階段，這不是一個(gè)好現(xiàn)象。"

如今，阿貢正在努力解決快速充電障礙，目標(biāo)是充電時(shí)間不超過15分鐘。鋰電池快速充電電池（XCEL）新方法涉及美國能源部愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室（DOE’sIdahoNationalLaboratory）,勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（LawrenceBerkeleyNationalLaboratory）,橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（OakRidgeNationalLaboratory）,SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室（SLACNationalAcceleratorLaboratory）和國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NationalRenewableEnergyLaboratory）。

快速充電：清潔能源未來的必然選擇

阿貢能源儲能科學(xué)合作中心（ACCESS）主任兼XCEL負(fù)責(zé)人VenkatSrinivasan說："我認(rèn)為，每家汽車公司都在考慮快速充電的重要性。"VenkatSrinivasan提出了一個(gè)非常重要、改變游戲規(guī)則的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的概念。他還說："我們已經(jīng)進(jìn)入了電動(dòng)汽車和電動(dòng)卡車快速充電的時(shí)代，這不是一個(gè)好現(xiàn)象。"他補(bǔ)充，隨著飛機(jī)越來越依賴電力，快速充電有關(guān)可持續(xù)的業(yè)也至關(guān)重要。

2017年開始，通過XCEL新方法的研究，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證了快速充電可將電池的能量密度提高50%。下一階段的工作將在2026年之前實(shí)現(xiàn)類似的收益。實(shí)踐中，就當(dāng)前的技術(shù)而言，電動(dòng)汽車只要充電10分鐘就可以行駛90英里。而在未來，電動(dòng)汽車可在路上行駛180英里。

快速充電道路上的減速措施

目前的鋰電池在快速充電方面面對三大挑戰(zhàn)。第一個(gè)挑戰(zhàn)是電池在壓力下會(huì)破裂。第二個(gè)挑戰(zhàn)是電池出現(xiàn)的熱量過快，從而縮短了它們的壽命。

第三個(gè)也是最具有挑戰(zhàn)性的是鋰鍍層現(xiàn)象。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子（帶電荷的原子或分子）穿過一種叫電解質(zhì)的液體介質(zhì)，從正極移動(dòng)到負(fù)極。快充或引起離子堵塞，鋰將會(huì)在負(fù)極外永久堆積。這會(huì)縮短電池壽命，還會(huì)造成安全隱患。

開始解決這些問題之前，要先發(fā)現(xiàn)這些問題，這是在電池研究領(lǐng)域的另一障礙。拆卸一塊電池，觀察是什么引起的故障，但這可能要數(shù)百次的充電周期后才能發(fā)現(xiàn)。故障是在什么時(shí)間什么情況下發(fā)生的呢？電池在遇到故障后還能維持多長時(shí)間呢？假如不能長時(shí)間觀察電池的運(yùn)行情況，這些問題就更難回答了。

XCEL科學(xué)家已經(jīng)獲得了一個(gè)特別的工具。科學(xué)家們使用先進(jìn)光子源（APS）的X-ray，先進(jìn)光子源是阿貢的能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施。在APS眾多實(shí)驗(yàn)室之一11-ID-B，研究人員觀察一系列在不同充電狀態(tài)下的電池。X-ray高能使研究人員能夠穿透整個(gè)電池，不過X-ray的通量加快了數(shù)據(jù)的收集，使科學(xué)家能夠跟蹤充電過程中的能量傳輸速率。

阿貢電化學(xué)家KamilaMagdalenaWiaderek說："可以在其他地方進(jìn)行這種類型的室驗(yàn)，但APS的高強(qiáng)度光束可將測量時(shí)間從幾天縮短至幾分鐘，從而可以跟蹤和快速充電相關(guān)的電池性能不均勻。"

Wiaderek正在研究電池的不均勻性，鋰電池的某些部分比其他部分的工作效率更高。Wiaderek和同事使用APS在電池充電和放電時(shí)檢查電池，并記錄不均勻性的原因，包括快充期間出現(xiàn)的問題。他們正在通過實(shí)驗(yàn)詳細(xì)說明鋰鍍層的方式、地點(diǎn)和時(shí)間，以及原子級上的其他變化。

APS升級將使該設(shè)施出現(xiàn)的X-ray比目前出現(xiàn)的X-ray強(qiáng)500倍，在未來加強(qiáng)XCEL研究，進(jìn)一步縮短數(shù)據(jù)收集的時(shí)間。

Wiaderek說："改善光束質(zhì)量將使我們能夠更好地觀察電池運(yùn)行時(shí)發(fā)生的快速過程。更快的收集數(shù)據(jù)將使我們能夠使用我們目前無法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)來觀察正在運(yùn)行的電池。"

在CAMP廠制造電池

為了一個(gè)接一個(gè)測試和檢測電池，研究人員要一個(gè)穩(wěn)定的電池。他們是從阿貢的電池分析、建模和原型制作（CAMP）廠獲得的，該廠生產(chǎn)符合行業(yè)要求的電池電極和電池原型。這些原型的容量大約是磅秤上的紐扣電池（硬幣大小）的100倍。這將有助于縮小實(shí)驗(yàn)室發(fā)明和商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)之間的差距。

負(fù)責(zé)CAMP廠的高級化學(xué)工程師AndrewJansen說："有關(guān)一家公司來說，將一個(gè)可能在學(xué)術(shù)論文中讀到的研究想法，并將其擴(kuò)大到可以在其生產(chǎn)線中運(yùn)行的程度，是一項(xiàng)非常重大投資。在CAMP，我們通過設(shè)備和組建和行業(yè)內(nèi)使用的非常相似。"

該廠的生產(chǎn)工具置放在一間干燥的房間內(nèi)，始終保持低于百萬分之一百的濕度。之所以要極低濕度，是因?yàn)榭諝庵械乃畷?huì)和電池電解質(zhì)中的鹽發(fā)生反應(yīng)，出現(xiàn)有害的酸。Jansen補(bǔ)充，CAMP的員工是經(jīng)過培訓(xùn)的，可以通過獨(dú)特的技能和技術(shù)將電池從原型轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品。

Jansen說："在美國，CAMP是新電池化學(xué)公司進(jìn)一步邁向商業(yè)化生產(chǎn)的機(jī)會(huì)。"

鋰電池不一定是加速快速充電的唯一儲能類型，但它們是主導(dǎo)類型。阿貢和能源部實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)的一些研究集中在固態(tài)電池和其他創(chuàng)新上，最終可能用地球上豐富的離子取代傳統(tǒng)的鋰離子。Srinivasan說："雖然我們在未來十年還將繼續(xù)駕駛鋰電池的汽車，但我們希望同時(shí)擁有一系列的新技術(shù)。"

此外，除了在能量密度和電池監(jiān)測方面取得進(jìn)步，XCEL研究人員已經(jīng)能夠減少正極材料在快速充電過程中發(fā)生的開裂。他們也開發(fā)了新的電解質(zhì)，有助于更加有效地將鋰離子運(yùn)送到電池上，并防止鋰鍍層。

這種進(jìn)步是因?yàn)榘⒇暤膱F(tuán)隊(duì)和公司之間有一個(gè)多學(xué)科的研究循環(huán)：以分鐘為單位監(jiān)測電池、開發(fā)原型并測試，然后開始重新循環(huán)。

Srinivasan說："我們要從根本上解決快速充電的問題，XCEL表示讓我們更深層地了解電池到底發(fā)生了什么。這種了解可以讓我們對下一步做什么有更多的主意，我們可以設(shè)法找到解決辦法。"