自热锂离子电池即使在 –42°C 的温度下也能快速充电，可循环 4,500 次，使用寿命长达 12 年

大型汽车制造商之间正在进行一场激动人心的竞赛，以增加快速充电站的功率和数量。 2017年，戴姆勒、大众、福特和宝马成立了一家合资企业，计划到2020年底在欧洲建造400个“超快”充电站。与此同时，本田计划到2022年推出具有15分钟快速充电能力的电动汽车。

2018年5月，美国能源部宣布拨款1900万美元，支持先进电池和电气化研究，将充电功率进一步提升至400kW。

现有的电动汽车无法承受极冷条件下的快速充电，因为这会增加镀锂的风险——充电时在阳极周围形成金属锂，导致电池随着时间的推移而出现故障。

传统锂电池无法在10℃以下快速充电。将这些电池充电到冰点以下会导致永久性容量损失和内阻增加。

现在，宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发出了一种可以自加热的电池，无论外界温度如何，都可以实现免镀锂快速充电。

这些电池可以让电动汽车在 15 分钟内充满电——几乎相当于汽油加油。这对于生活在寒冷州的人们来说可能是一个巨大的缓解。考虑到充电站的广泛安装，车主可以不再担心车辆续航里程，无忧无虑地行驶更远的距离。

此前，科学家们构建了一种电池系统，在低于冰点的温度下不会因自热而发生电力消耗。现在，同样的技术已被应用于使电池在所有天气条件下快速充电（15 分钟内），包括低至 -42°C 的温度。

新设计的电池有一个薄镍箔，其一端连接到电池的负极端子，而另一端延伸到外面，形成第三个端子。为了完成该电路，温度传感器上连接了一个开关，当温度低于 20°C 时，该开关允许电子流经镍箔。

电子流在镍箔中产生电阻加热，最终提高电池的内部温度。一旦温度升高（超过20°C），开关打开，让电流流入电池进行快速充电。

自热电池 |图片来源：王朝阳/宾夕法尼亚州立大学

参考：PNAS | doi:10.1073/pnas.1807115115 |宾夕法尼亚州立大学

电池自行完成所有这些工作；无需人工干预。此外，现有的充电站不必改变。加热和充电之间的切换是在电池内部完成的，而不是充电器。

原型测试的结果令人印象深刻。研究人员发现，该电池具有出色的循环寿命，相当于电动汽车 12 年以上或 280,000 英里的使用寿命。具体来说，该电池在0°C下可承受4,500次快速充电循环（15分钟），容量仅损失20%。

另一方面，传统电池在冰冻温度下仅 50 个充电周期就可能损失 20% 的容量。发生这种情况是因为金属锂（过量）沉积在阳极表面，而不是锂离子有效地与碳阳极融合。目前，在10℃以下，慢充是唯一可能避免这种情况的方法。

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研究人员表示，他们的新方法提供了一种在电池科学中将充电动力学与放电解耦的方法，并在不需要新材料或化学物质的情况下增强充电。此外，它还提供了一个平台来构建更先进的电池材料，而无需考虑温度问题。

在应用方面，该技术将帮助汽车制造商使用更小、更轻的电池。它还支持各种电子产品和设备，例如户外机器人、全天候智能手机、无人机和在高空运行的微型卫星。

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