加熱、照光提升鋰電池充電速度

鋰離子電池(下稱鋰電池)的普及為我們實現「無線」生活的需求,同時也帶來了新的焦慮,促使我們追求電量相對更大、充電更快更好的電池技術,這些技術也是電動車能否真正普及的關鍵之一。針對快速充電的相關研究指出,在限制時間的高溫下充電或者是對電池照光都有助於提高電池的充電速度。

文/蘇建翰

●對電量的焦慮帶來電池技術的需求

鋰電池是一種依靠鋰離子在正負極之間的移動來進行充放電過程的可充電電池,由於具有高能量密度,單位體積或質量可以容納較高電量,以及沒有記憶效應等優點,因此成為諸多可攜式電子產品使用的電池,舉凡現代幾乎人手一支的手機、藍芽耳機等等都能看見鋰電池的身影。

鋰電池技術的進步引領各種無線電子用品的實現與普及,帶我們擺脫各式電源線的束縛,不過生活的新風貌也帶來新的焦慮,譬如當手機跳出電量警告通知,當下卻又無法找到插座時,不少人可能會因而產生煩躁的情緒。這類「低電量焦慮」促使人們追求更好的電池:希望電池容量夠大,拉長單次電池循環可以使用的時間,消費者在購買手機的時候,電池容量常常是比較的指標之一,也產生對行動電源的需求;除了電池容量,如何充電充得更快,也成為消費者關心的重點。

●快速充電是電動車普及的關鍵因素

近年來發展快速的電動車產業,也面臨到同樣的問題,雖然電池的電量足夠,正常使用的情況下單次放電提供的里程數普遍都有幾百公里的表現,應付日常通勤需求綽綽有餘,不過提到充電,如何充得又快又好就是技術難題。當標榜有快速充電功能的手機正在充電時,可以試著伸手去觸摸充電中的變壓器外殼,由於快速充電常常是透過加大電流提升功率的方式,因此可能會摸到變壓器有變熱的現象,相關的充電模組也因而需要因應大功率輸入的環境設計,以確保使用者和產品的安全。小如手機電池如此,大如電動車的電池組亦是,為了符合安全的要求以及保護電池的壽命,在現有的技術下往往必須限制充電速度。

圖一、特斯拉的超級充電站(來源:Blomst from Pixabay)

 

以電動車品牌特斯拉的超級充電站為例,平均充飽一輛電動車電池所使用的時間約需要45到50分鐘左右,相對於傳統燃油車進出加油站只需要幾分鐘就能出發上路,電動車所需要的充電時間對於消費者來說還是有些冗長,更遑論是需要長時間、長距離使用的運輸業者。因此,充電速度能否在技術上有所突破,繼而降低等待時間、提升充電站的「翻桌率」,成為充電式電動車可否成為主流交通載具的關鍵。

●限制時間的高溫環境能增加充電速度

提昇鋰電池充電速度的方式之一,是透過提高環境溫度,讓鋰離子有較高的動能可以快速移動,降低陽極產生鋰金屬晶枝(dendrite)導致損害電池壽命的機率,我們就能加大充電的電流。雖然高溫環境有助於提升充電速度,不過長時間在高溫下充電,也會在電極和電解質間形成介面模(solid-electrolyte interphase, SEI),產生其他問題。

對於充電溫度和時間如何取捨,有研究提出一個策略,即充電時將溫度提高至攝氏六十度的同時,限制在此溫度下充電的時間為十分鐘,以避免SEI的大量生成。研究結果顯示,這個技術有望在十分鐘之內為電動車的續航力增加約320公里左右,實驗用的電池在經過1700次快速充電循環過後仍保持一定的能力,表示這種充、放電在不同溫度,且限制高溫下充電時間的策略在提高充電速度的同時,還能保全電池的壽命。

●照光有助於提升充電速度

另有一篇研究則提出一個開創性的想法,透過「照光」來加速電池的充電。研究的內容指出,在採用鋰錳氧化物(LiMn2O4)作為電極材料的電池外殼開個透明的「窗戶」,在充電的過程中對電極照射白光,可以將電極中的三價錳(Mn3+ )氧化成四價錳(Mn4+ )作為電洞,同時釋放電子,致生一對可維持微秒時間等級的電子電洞分離態,在充電的外加電壓下,這些電子會進入外接電路,眾多的鋰離子則會被釋放出來,進入電解質,有助於充電化學反應的提升。

研究結果顯示,照光能顯著減少充電的時間達一半或者更多,雖然這種方式還尚未足以成熟到大規模的應用,還需要對整體電池的結構、電極和電解質的設計進行最佳化,不過光照加速或許將為快速充電的技術發展開啟一條不同既往的道路。

圖二、(a) 可照光加速的的電池結構 (b) 照光加速電子分離示意圖 (來源:[3])

參考資料:

[1] 【材料應用】從手機到電動車:無處不見的鋰電池 (https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=19261)

[2]  New charging technique could power an electric car battery in 10 minutes, (https://www.sciencemag.org/news/2019/10/new-charging-technique-could-power-electric-car-battery-10-minutes)

[3]  Lee, A., Vörös, M., Dose, W.M. et al. Photo-accelerated fast charging of lithium-ion batteries. Nat Commun 10, 4946 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-12863-6

 

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