2024年2月1日，美国宾州州立大学王朝阳教授（美国国家发明家科学院院士）团队在ACS Energy Letters期刊上发表了一篇题为“Lithium Iron Phosphate Superbattery for Mass-Market Electric Vehicles”的研究成果。
该成果报道了一种能在任何温度下快速补能的磷酸铁锂超级电池（Lithium Iron Phosphate Superbattery）。通过在电池内部置入超薄镍片并使用LiFSI盐，该电池将工作温度区间拓宽至-50到+90°C，并实现在任何环境温度极速充电。在环境温度-60°C时通过4分钟预热、8分钟充电从零至80%电量（6C充电），循环1000圈仍有93.4%的电量。该工作为大众市场的电动汽车提供了基于磷酸铁锂的超级动力电池。论文通讯作者是王朝阳和史菲菲；第一作者是廖杰。
随着交通电动化的不断推进，电动汽车已经向大众市场进军。然而，要真正代替燃油车的话，电动汽车必须要解决三大痛点：里程焦虑、充电焦虑以及价格昂贵。尽管磷酸铁锂电池具有成本低廉、原材料丰富、安全性高等优点，但磷酸铁锂能量密度低，续航短，低温性能差，充电慢，这些极大地限制了电动车在地域（北方）和时间（冬天）上的推广应用。
在这项工作中，王朝阳团队通过在一个11Ah的电池中置入两片超薄超轻的镍片以及使用LiFSI盐，发展了一个磷酸铁锂超级电池。体积能量密度仅降低0.45%，质量能量密度仅降低1.65%。该电池在60℃环境中能稳定循环6100小时。低温环境下当电池有电时，电池可自加热。譬如在-50℃条件下，3分钟即可把电池加热至+15℃，使之正常使用。在冬天电池需要充电时，即使环境温度低至-60℃，可用充电桩的能量把电池快速预热（约4分钟），然后进行极速充电，8分钟即可充至80%电量。该电池在室温下，通过快速预热可实现2500圈极速充电，等效640,000公里的里程或33年使用寿命，远超目前市场上的多数燃油车。
该超级电池可在任何气候条件下实现10分钟补能至80%电量，从而消除了续航和充电焦虑，同时可在严寒（-50℃）酷暑（90℃）中工作。
图1：高温循环稳定性。（a）电池的容量保持率随时间的变化；（b）容量损失随时间的1/2次方的变化；（c）电池直流电阻随循环时间的变化。
图2：电池自加热过程：（a）不同温度下电池的直流内阻；（b）自加热电池的示意图；（c）正极与ACT之间的开关打开后，电池电压和电流随时间的变化；（d）开关打开后，镍片温度和电池表面温度随时间的变化；（e）不同环境温度下，自加热过程中电池表面温度随时间的变化；（f）不同环境温度下，自加热消耗电量随电池表面温度的变化。
图3：自加热后电池功率和能量的增加。（a）在有或无自加热的情况下，电池在不同温度所能提供的最大功率；（b）在电池自加热和放电过程中，电池的电压和表面温度的变化曲线（c）在有或无自加热的情况下，电池在不同温度所能释放的电量；（d）不同环境温度下，电池所需的自加热量/释放的能量及激活时间。
图4：不同环境温度下，快速预热及6C极速充电。（a）（c）温度和电压随时间的变化关系；（b）（d）通过镍片的电池（用于加热）和通过电池的电池（用于充电）和时间的变化关系。
图5：极速充电下电池的循环寿命。（a）电池的电量随循环圈数的变化曲线；（b）环境温度为-60°C时，电池的最大充电电压和充电时间与循环圈数的关系；（c）电池的直流内阻随时间的变化曲线；（d）环境温度为-20°C时，电池的最大充电电压和充电时间与循环圈数的关系。
（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c02823
