鋰離子電池如何實(shí)現(xiàn)快速充電和更長(zhǎng)的生命周期

為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車可以行駛1000英里或手機(jī)一次充電可以運(yùn)行數(shù)天的愿景，大多數(shù)電池開發(fā)商正在競(jìng)相生產(chǎn)在相同重量下可以儲(chǔ)存兩倍能量的電池。

大多數(shù)鋰離子電池的研究主要集中在提高能量密度上，但初創(chuàng)公司TyFast首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人GJ la O’表示，其研究所不同的是，通過在電池容量方面妥協(xié)，以實(shí)現(xiàn)快速充電和更長(zhǎng)的生命周期。

該公司希望制造一種基于新型釩基陽極材料的電池，這種材料可以在3分鐘內(nèi)充電，并以能量密度為代價(jià)運(yùn)行20000次充電循環(huán)。La O‘表示，能量密度可能是當(dāng)今電池的80%到90%。La O’和該公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官Haodong Liu計(jì)劃在6月初獲得的新Activate fellowship的幫助下開發(fā)一款商業(yè)產(chǎn)品?！拔覀兊闹攸c(diǎn)是比今天的鋰電池充電速度快20倍，壽命長(zhǎng)20倍。這意味著，我們將提供與上一代設(shè)備相同的運(yùn)行時(shí)間，但充電速度非常非?？?，以至于你忽略尺寸和能量密度。”

這種折衷方案適用于其預(yù)期的始終在線、高利用率的應(yīng)用，例如需要全天候工作的自動(dòng)倉庫或交付機(jī)器人。Tyfast的電池可以通過非常短的快速完成充電來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

“今天的機(jī)器人平臺(tái)利用電池組，可以運(yùn)行8到10個(gè)小時(shí)，”研究人員表示，“如果你有一個(gè)更快的充電電池，那么相當(dāng)于一個(gè)可以運(yùn)行4到5小時(shí)的電池組。更小的電池組將意味著機(jī)器人每次旅行攜帶更多的負(fù)載，因此它將更有效率?！?/p>

鋰離子電池的充電時(shí)間受鋰離子進(jìn)出陽極的速度限制。通常用于陽極的石墨現(xiàn)在具有平面結(jié)構(gòu)，離子在層間滑動(dòng)。

Tyfast取而代之的是一種由鋰釩氧化物制成的陽極，這種材料具有類似于食鹽的3D晶體結(jié)構(gòu)。離子以三維形式在晶體中移動(dòng)，使傳輸速度達(dá)到石墨的10倍。

加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程師、Tyfast聯(lián)合創(chuàng)始人Ping Liu等人于2020年在《自然》雜志上首次報(bào)道了LVO陽極，該陽極在充電和放電時(shí)的膨脹和收縮也小于石墨。石墨的體積變化率高達(dá)10%，而LVO的膨脹率不到2%。la O’解釋說，“這可以減少陽極的機(jī)械和化學(xué)損傷，延長(zhǎng)電池壽命。我們的技術(shù)正試圖克服石墨設(shè)定的這種材料限制。”

然而，按重量計(jì)，石墨可以比LVO容納更多的離子，從而提供更高的電池能量密度。一些公司正在開發(fā)納米工程硅或鋰金屬陽極，其能量密度將是石墨的兩倍，以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電動(dòng)汽車行駛里程。這些材料的挑戰(zhàn)還在于其極高的體積膨脹，可能會(huì)使陽極破裂。

Tyfast的LVO陽極可能更堅(jiān)固，但其更高的成本可能是其缺點(diǎn)。它的價(jià)格幾乎是石墨的兩倍，每公斤超過20美元。la O’表示，具有LVO陽極和鎳錳鈷（NMC）陰極的電池將比石墨NMC電池貴30%到50%。但LVO的更長(zhǎng)壽命可以彌補(bǔ)其更高的成本。他補(bǔ)充道：“如果你將其用于像自動(dòng)機(jī)器人這樣的一直在線應(yīng)用程序中，LVO的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，因此你的每個(gè)充電周期的成本更低?！?/p>

在推出機(jī)器人之前，該公司最初的目標(biāo)是可穿戴設(shè)備市場(chǎng)。la O’說，它有幾個(gè)客戶在排隊(duì)，其中包括一個(gè)主要的消費(fèi)電子品牌。在實(shí)驗(yàn)室里，它正在制造信用卡和糖包大小的電池。這些原型使用LVO陽極和商用NMC陰極和電解質(zhì)，迄今為止，充電周期超過2000次，充電時(shí)間不到15分鐘。

到今年年底，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃達(dá)到20000次循環(huán)，且充電時(shí)間不超過3分鐘。“我們的愿景是使用Tyfast電池的消費(fèi)電子設(shè)備，讓你更快地恢復(fù)活力，”研究人員說，“想象一下，在你喝杯咖啡休息的時(shí)間后，你的設(shè)備就會(huì)充滿電了?！?/p>