Forskare har utvecklat ett litiumjonbatteri som laddas vid en förhöjd temperatur för att öka reaktionshastigheten men håller cellen sval under urladdning, visar potentialen att lägga till 200 mils körräckvidd till en elbil på 10 minuter. Om skalas, designen är en potentiell strategi för att lindra farhågor om att helelektriska fordon saknar tillräcklig kryssningsräckvidd för att säkert nå en destination utan att stanna upp mitt på resan. Forskarna vid Pennsylvania State University presenterar arbetet den 30 oktober i tidskriften Joule .

Forskare har insett behovet av att designa elfordonsbatterier som kan laddas extremt snabbt för att möta förarnas behov. Dock, en sådan snabb laddningshastighet skulle kräva att ett batteri snabbt tar in 400 kilowatt energi, en bedrift som nuvarande fordon inte kan åstadkomma eftersom den riskerar litiumplätering (bildandet av metalliskt litium runt anoden), vilket skulle kraftigt försämra batteritiden.

Medan konventionella litiumbatterier laddas och laddas ur vid samma temperatur, forskarna fann att de kunde kringgå problemet med litiumplätering genom att ladda batteriet till en förhöjd temperatur på 60 grader Celsius i några minuter, sedan töms det vid kallare temperaturer.

"Förutom snabbladdning, denna design tillåter oss att begränsa batteriets exponeringstid till den förhöjda laddningstemperaturen, vilket ger en mycket lång livslängd, " säger seniorförfattaren Chao-Yang Wang, en maskiningenjör vid Pennsylvania State University. "Nyckeln är att realisera snabb uppvärmning; annars, batteriet kommer att stanna vid förhöjda temperaturer för länge, orsakar allvarlig försämring."

För att förkorta uppvärmningstiden och värma upp hela batteriet till en jämn temperatur, Wang och kollegor utrustade ett litiumjonbatteri med en självuppvärmande nickelstruktur som förvärms på mindre än trettio sekunder. För att testa deras modell, de laddade tre grafitpåsceller designade för hybridelfordon vid 40, 49, och 60 grader Celsius, samt en kontroll vid 20 grader Celsius, använda olika kylningsstrategier för att upprätthålla konstanta laddningstemperaturer. För att bekräfta att litiumplätering inte inträffade, de laddade senare ut cellerna helt och öppnade dem för analys.

Wang och teamet fann att batterierna förvärmda till 60 grader Celsius kunde upprätthålla den extremt snabba laddningsprocessen i 1, 700 cykler, medan kontrollcellen bara kunde hålla jämna steg i 60 cykler. Vid en genomsnittlig laddningstemperatur mellan 49 och 60 grader Celsius, forskningen observerade inte någon litiumplätering. Forskarna observerade också att en ökad laddningstemperatur kraftigt minskade den kylning som var nödvändig för att hålla cellen vid sin initiala temperatur - kontrollcellen genererade 3,05 wattimmar, medan 60-graderscellen bara genererade 1,7 wattimmar.

"Förr, det ansågs allmänt att litiumjonbatterier bör undvika att arbeta vid höga temperaturer på grund av oron för accelererade sidoreaktioner, " säger Wang. "Denna studie tyder på att fördelarna med mildrad litiumplätering vid förhöjd temperatur med begränsad exponeringstid vida överväger den negativa påverkan som är förknippad med förvärrade bireaktioner."

Forskarna konstaterar att tekniken är helt skalbar eftersom alla celler är baserade på industriellt tillgängliga elektroder; och de har redan visat dess användning i storskaliga celler, moduler, och batteripaket. Nickelfolien ökar kostnaden för varje cell med 0,47 %, men eftersom designen eliminerar behovet av externa värmare som används i nuvarande modeller, det sänker faktiskt kostnaden för att producera varje förpackning.

Nästa, Wangs team planerar att ta sin design ett steg längre.

"Vi jobbar på att ladda ett energitätt elfordonsbatteri på fem minuter utan att skada det, ", säger han. "Detta kommer att kräva mycket stabila elektrolyter och aktiva material utöver den självuppvärmande strukturen vi har uppfunnit."