阿贡实验室EES: 快充管理大师！NMC/石墨电池10分钟充电80%！

消费者对电动汽车的一个重要要求是能够在与内燃机加油相当的时间尺度（<15分钟）上为电池组充电（~80%）。但是，过快充电会加速电池衰减甚至导致灾难性事件。因此，必须制定充电策略，充分利用电池倍率能力而不会越过界限而导致严重性能衰减。

在此，美国阿贡国家实验室Juhyun Song, Kevin W. Knehr等人分析了如何使用电化学和热控制来最小化充电时间并管理衰减风险。

具体而言，作者开发了一种电化学-热模型来引入一种恒定风险（CR）的快充协议，通过控制电流实现最小化充电时间，同时将电池保持在预定义的边界内（即最大充电电流、最大电池温度和最小过电位以防止锂电镀）限制性能衰减风险。

锂离子软包电池的连续水平模型用于模拟具有CR状况的充电，当它与主动热管理（开环开/关控制）配对时，通过快速脱离热保护模式但仍然利用高温下的轻松传输特性提供比绝热或恒定冷却条件更快的充电。

图1. 不同充电时间和衰减极限的电池设计曲线

结果显示，当以中等程度的衰减风险充电时，典型的NMC/石墨电池可在10分钟内实现80%的充电容量且电池成本低于$100 kW^-1 h^-1（对应于80 μm厚负极）。

该研究阐明了快充时间和协议设计中允许的风险之间的权衡。例如，将最高允许温度从40°C提高到60°C，最多可以将充电时间缩短50%。同样，将允许的负极电位从50 mV降低到10 mV，最多可以将充电时间减少35%。

最后，将允许的倍率从4C增加到12C，可以将充电时间减少67%，但仅适用于薄（<40 μm）负极。这些权衡可以转化为与所需充电时间相关的电池成本曲线，更激进的设计限制可以更快地为更厚的电极充电，从而降低给定充电目标的电池成本。

图2. 充电时间对负极厚度/负载和电池成本的影响曲线

Pathways towards managing cost and degradation risk of fast charging cells with electrical and thermal controls, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE02286E

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