W obecnej dobie intensywnego rozwoju przemysłu pojazdów wykorzystujących nowe źródła energii akumulatory litowo-jonowe, jako główne źródło zasilania, stoją przed zasadniczym wyzwaniem, jakim jest zrównoważenie wydajności ładowania i żywotności. Wraz z rosnącymi wymaganiami konsumentów dotyczącymi dłuższych zasięgów i szybszych prędkości ładowania, a także skupieniem się rynku na żywotności akumulatorów i{{2}opłacalności, technologia ładowania akumulatorów litowo-jonowych przechodzi głęboką rewolucję. Zapewnienie wysokiej-wydajności ładowania przy jednoczesnym wydłużeniu żywotności baterii stało się pilną kwestią, którą branża musi się zająć.
I. Technologia szybkiego ładowania: siła napędowa poprawy wydajności
W ostatnich latach poczyniono znaczne postępy w technologii szybkiego ładowania akumulatorów litowo-jonowych. Weźmy na przykład CATL. Ultraszybki-ładowany akumulator „Shenxing” osiągnął-ultraszybką prędkość ładowania wynoszącą „10-minut ładowania przy zasięgu jazdy wynoszącym 400-kilometrów”. Nawet w zimnym otoczeniu o temperaturze -10 stopni można naładować do 80% pojemności w ciągu 30 minut. W kwietniu 2024 r. firma CATL wprowadziła na rynek akumulator Shenxing PLUS, który jeszcze bardziej zwiększył zasięg do 1000 kilometrów przy jednoczesnym zachowaniu-ultraszybkiej charakterystyki ładowania, polegającej na ładowaniu do 60% pojemności w ciągu 10 minut. Ponadto firmy CATL i SAIC-GM współpracowały nad wprowadzeniem na rynek ultraszybko ładującego się akumulatora litowo-żelazowo-fosforanowego 6C, który ma zostać zastosowany w zmodernizowanej architekturze wysokonapięciowych akumulatorów quasi-900 V Ultium w 2025 r. Akumulator ten można całkowicie naładować w ciągu 10 minut, co zapewnia zwiększenie zasięgu jazdy o 200 km w ciągu 5 minut.
Zespół badawczy kierowany przez profesora Chao-Yang Wanga z Pennsylvania State University również dokonał niezwykłych osiągnięć. Odkryli, że jeśli akumulator można szybko podgrzać do 60 stopni przed ładowaniem, ładować z dużą szybkością przez 10 minut, a następnie szybko schłodzić do temperatury otoczenia, można uniknąć degradacji termicznej akumulatora i można zapobiec poważnemu wzrostowi warstwy międzyfazowej elektrolitu stałego (SEI). Po wielokrotnych testach zespół przeprowadził testy ładowania izotermicznego trzech typów akumulatorów w temperaturach 40, 49 i 60 stopni, stosując jako kontrolę ładowanie w temperaturze 20 stopni. Następnie akumulatory rozebrano w celu sprawdzenia, czy nie ma powłoki litowej. Wyniki pokazały, że po 2500 cyklach ekstremalnie szybkiego ładowania (6°C, 4,2 V) w temperaturze 60 stopni przez 10 minut akumulator o dużej-energetycznej-gęstości i pojemności 209 Wh/kg nadal zachował 91,7% swojej pojemności, przy jedynie 8,3% utracie pojemności. To znacznie przekroczyło cel „500 cykli, 20% utraty pojemności” ustalony przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE), a podczas procesu ładowania nie zaobserwowano żadnego powlekania litem.
Takie marki jak XPENG i NIO również osiągnęły przełom w-ultraszybkim ładowaniu. Firma XPENG wprowadziła na rynek linię ultraszybkiego ładowania S4-o maksymalnej mocy wyjściowej 480 kW i maksymalnym prądzie wyjściowym 670 A. System ten może zapewnić zasięg samochodu wynoszący 200-km w ciągu 5 minut ładowania. Według oficjalnego oświadczenia model 4C można naładować od 10% do 80% w mniej niż 15 minut, co jest uważane za najszybszą prędkość ładowania pojazdów elektrycznych-masowo produkowanych na świecie. Model 3C jest również wyposażony w platformę wysokiego napięcia 800 V o szczytowej mocy ładowania około 300 kW. Może dodać 130 kilometrów zasięgu w ciągu 5 minut od ładowania i naładować od 10% do 80% w 20 minut.
II. Wpływ szybkiego ładowania na żywotność baterii
Chociaż technologia szybkiego ładowania znacznie poprawia efektywność ładowania, nie można ignorować jej wpływu na żywotność baterii. Podczas szybkiego ładowania duży prąd powoduje szybkie osadzanie się jonów litu w anodzie. Jeśli kontrola temperatury jest niewystarczająca, lit metaliczny może osadzać się na powierzchni anody, tworząc dendryty, które mogą potencjalnie przebić separator, prowadząc do wewnętrznych zwarć i przyspieszając spadek wydajności akumulatora. Dodatkowo ciepło powstające podczas szybkiego ładowania, jeśli nie zostanie rozproszone w odpowiednim czasie, może przyspieszyć rozkład elektrolitu i starzenie się materiałów elektrod, skracając żywotność akumulatora.
Ankieta wykazała, że w przypadku-kierowców przewożących pojazdy wyłącznie elektryczne, których średni dzienny przebieg przekracza 100 kilometrów, odsetek wykorzystania ultraszybkiego ładowania- przekroczył 70%. Stan naładowania akumulatorów-pokładowych spadł ze 100% w przypadku nowych samochodów do 85% w ciągu dwóch lat, przy średnim rocznym spadku wynoszącym 7,5%. Jednak najnowsze badania przeprowadzone przez zespół profesora Ouyanga Minggao z Uniwersytetu Tsinghua wykazały, że częste stosowanie-ultraszybkiego ładowania o mocy powyżej 120 kW może skrócić cykl życia akumulatora o 40% w porównaniu z wolnym ładowaniem.
Niemniej jednak niektóre badania wskazują, że wpływ szybkiego ładowania na żywotność baterii nie jest absolutny. Badanie śledzenia przeprowadzone przez Recurring Automatic na dziesiątkach tysięcy Tesli wykazało, że różnica w żywotności baterii między szybkim i wolnym ładowaniem jest w rzeczywistości znikoma. Nawet w przypadku pojazdów-do przewozów komercyjnych, które są szybko-ładowane 1–2 razy dziennie, ich cykle wymiany akumulatorów są podobne do cykli samochodów prywatnych. Dzieje się tak głównie dzięki wydajnym systemom kontroli temperatury, które skutecznie łagodzą negatywne skutki szybkiego ładowania.
III. Strategie techniczne dotyczące równoważenia wydajności i żywotności
Aby znaleźć równowagę między wydajnością szybkiego ładowania a żywotnością baterii, przemysł i przedsiębiorstwa przyjęły szereg strategii technicznych.
Jeśli chodzi o innowacje materiałowe, technologia ultraszybkiego ładowania firmy CATL wykorzystuje technologię ultra-katody sieci elektronowej oraz technologię szybkiej anody z pierścieniem jonowym-grafitowej drugiej generacji, co jeszcze bardziej zwiększa wydajność reakcji elektrochemicznych i efektywność ładowania. Sieć ultra-elektronów z całkowicie nanometryzowaną powierzchnią materiału tworzy dobrze-połączoną sieć elektronów, znacznie poprawiając szybkość reakcji materiału katody na sygnały ładowania i szybkość desorpcji jonów litu. Porowata warstwa powłoki z modyfikacją szybkiego pierścienia jonowego-na powierzchni materiału anody zapewnia liczne miejsca aktywne do wymiany jonów litu, znacznie zwiększając prędkość wymiany ładunku jonów litu i szybkość osadzania.
Projektując strukturę akumulatora, zespół profesora Chao-Yang Wanga opracował akumulator przystosowany do-klimatu. Do wnętrza baterii włożyli folię niklową o grubości 50-mikrometrów-, która skutecznie-nagrzewa się samoczynnie. Gdy prąd jest włączany w niskich temperaturach, przepływa przez folię niklową, wytwarzając ciepło. Gdy temperatura wewnętrzna akumulatora przekroczy 60 stopni, zostaje uruchomiony czujnik temperatury, który odcina prąd przepływający przez folię niklową. Bateria może samonagrzać się do 60 stopni w ciągu 30 sekund, bez wpływu na jej wydajność i żywotność w normalnych temperaturach. Proces ten nie wymaga pomocy zewnętrznych urządzeń grzewczych ani dodawania specjalnych dodatków do elektrolitu.
Jeśli chodzi o systemy zarządzania temperaturą akumulatora (BMS), niektórzy producenci samochodów wprowadzili „tryb ochrony-ultraszybkiego ładowania”. Gdy poziom naładowania akumulatora spadnie poniżej 20%, moc ładowania jest ograniczona do 60 kW, aby uniknąć problemów-uszkadzających akumulator. Inni stosują technologię wstępnego-nagrzewania akumulatorów, która poprawia wydajność szybkiego ładowania o 35% w temperaturze -10 stopni, jednocześnie zmniejszając tempo zaniku akumulatora o 30%.
IV. Strategie wykorzystania użytkowników i perspektywy branżowe
Dla użytkowników rozsądne korzystanie z szybkiego ładowania ma kluczowe znaczenie dla wydłużenia żywotności baterii. Profesor Qilu, dyrektor Laboratorium Materiałów i Technologii Nowych Energii na Uniwersytecie w Pekinie, stwierdził, że właściciele samochodów powinni ograniczyć udział ultraszybkiego ładowania-do 40%. Jeśli czas na to pozwala, należy w miarę możliwości korzystać z powolnego ładowania. W szczególności należy unikać ultraszybkiego ładowania, gdy poziom naładowania baterii jest niższy niż 10% lub wyższy niż 90%, ponieważ ultraszybkie ładowanie w tym zakresie może spowodować większe uszkodzenie baterii.
Z perspektywy branży dzięki innowacjom w modelu komercyjnym, takim jak przyjęcie modelu leasingu akumulatorów, producenci samochodów mogą przejść od „sprzedaży produktów” do „sprzedaży usług”. Model-oddzielenia akumulatorów w pojazdach może zmniejszyć wrażliwość użytkowników na gwarancje akumulatorów, jednocześnie zachęcając przedsiębiorstwa do zwiększania dojrzałości technologii szybkiego ładowania.
W przyszłości, wraz z ciągłym postępem technologicznym, równowaga pomiędzy wydajnością szybkiego ładowania a żywotnością akumulatorów litowo--jonowych będzie dalej optymalizowana. Oczekuje się, że pojawienie się nowych materiałów i technologii, takich jak anody-na bazie krzemu i akumulatory-półprzewodnikowe, zasadniczo rozwiąże problemy związane z żywotnością spowodowane szybkim ładowaniem. Jednocześnie ciągłe doskonalenie inteligentnych systemów kontroli temperatury, dynamicznej regulacji mocy i innych technologii zapewni silniejsze wsparcie dla rewolucji w technologii ładowania akumulatorów litowo-jonowych-.
W wyniku tej rewolucji w technologii ładowania akumulatory litowo-jonowe-stopniowo zmierzają w stronę idealnej równowagi między wydajnością a żywotnością. Przemysł i przedsiębiorstwa muszą stale wprowadzać innowacje, a użytkownicy muszą także racjonalnie je wykorzystywać, aby wspólnie promować zrównoważony rozwój nowego przemysłu pojazdów energetycznych.
