בעידן הנוכחי של הפיתוח הנמרץ של תעשיית רכבי האנרגיה החדשה, סוללות ליתיום-יון, כמקור הכוח המרכזי, עומדות בפני האתגר הקריטי של איזון בין יעילות הטעינה ותוחלת החיים. עם הדרישות ההולכות וגדלות של הצרכנים לטווחי נסיעה ארוכים יותר ומהירויות טעינה מהירות יותר, כמו גם ההתמקדות של השוק באורך חיי הסוללה ובעלות-יעילות, טכנולוגיית הטעינה של סוללות ליתיום- עוברת מהפכה עמוקה. כיצד להבטיח טעינה-ביעילות גבוהה תוך הארכת חיי הסוללה הפכה לבעיה דחופה שהתעשייה צריכה לטפל בה.
I. טכנולוגיית טעינה מהירה: הכוח המניע לשיפור היעילות
בשנים האחרונות חלה התקדמות משמעותית בטכנולוגיית הטעינה המהירה של סוללות ליתיום-יון. קח את CATL כדוגמה. סוללת הטעינה המהירה האולטרה-של ה"Shenxing" השיגה מהירות טעינה-מהירה במיוחד של "טעינה של 10{{14}דקות לטווח נסיעה של 400-ק"מ. אפילו בסביבות קרות ב--10 מעלות, הוא יכול להיטען ל-80% מהקיבולת תוך 30 דקות. באפריל 2024, CATL השיקה את סוללת Shenxing PLUS, והגדילה עוד יותר את טווח הנסיעה ל-1000 קילומטרים תוך שמירה על מאפיין הטעינה המהירה במיוחד של טעינה ל-60% מהקיבולת תוך 10 דקות. בנוסף, CATL ו-SAIC-GM שיתפו פעולה כדי להציג סוללת ליתיום ברזל פוספט בטעינה מהירה במיוחד 6C, אשר מתוכננת לשמש בארכיטקטורת סוללת המתח הגבוה Ultium quasi-900V המשודרגת בשנת 2025. סוללה זו ניתנת לטעינה מלאה תוך 10 דקות, תוך הוספת טווח נסיעה של 200 קילומטרים של 5 דקות.
גם צוות המחקר בראשות פרופסור צ'או-יאנג וואנג מאוניברסיטת פנסילבניה השיג הישגים מדהימים. הם מצאו שאם ניתן לחמם סוללה במהירות ל-60 מעלות לפני הטעינה, לטעון אותה בקצב מהיר למשך 10 דקות, ולאחר מכן לקרר אותה במהירות לטמפרטורת הסביבה, ניתן למנוע השפלה תרמית של הסוללה, ולמנוע צמיחה רצינית של סרט הבין-פאזי האלקטרוליט המוצק (SEI). לאחר בדיקות חוזרות ונשנות, הצוות ביצע בדיקות טעינה איזותרמית בשלושה סוגים של סוללות כוח ב-40 מעלות, 49 מעלות ו-60 מעלות, תוך שימוש בטעינה ב-20 מעלות כבקרה. לאחר מכן, הסוללות פורקו כדי לבדוק ציפוי ליתיום. התוצאות הראו שאחרי 2500 מחזורים של טעינה מהירה במיוחד (6C, 4.2V) ב-60 מעלות למשך 10 דקות, הסוללה בצפיפות-האנרגיה-הגבוהה עם קיבולת של 209 וואט/ק"ג עדיין שמרה על 91.7% מהקיבולת שלה, עם אובדן של 8.3% בלבד. זה חורג בהרבה מהיעד של "500 מחזורים, 20% אובדן קיבולת" שנקבע על ידי משרד האנרגיה האמריקאי (DOE), ולא נצפה ציפוי ליתיום במהלך תהליך הטעינה.
מותגים כמו XPENG ו-NIO השיגו גם פריצות דרך בטעינה מהירה במיוחד.- XPENG השיקה את ערימת הטעינה המהירה S4 במיוחד-עם הספק מרבי של 480 קילוואט וזרם פלט מרבי של 670 A. מערכת זו יכולה לספק טווח נסיעה של 200-ק"מ למכונית תוך 5 דקות מטעינה. על פי ההצהרה הרשמית, דגם ה-4C יכול להיטען מ-10% ל-80% בפחות מ-15 דקות, שלטענתה היא מהירות הטעינה המהירה ביותר של-רכב חשמלי המיוצר בעולם. דגם ה-3C מצויד גם בפלטפורמת מתח גבוה של 800V, עם הספק טעינה שיא של כ-300 קילוואט. הוא יכול להוסיף טווח נסיעה של 130 קילומטרים תוך 5 דקות מטעינה ולהטעין מ-10% ל-80% תוך 20 דקות.
II. ההשפעה של טעינה מהירה על תוחלת חיי הסוללה
למרות שטכנולוגיית הטעינה המהירה משפרת מאוד את יעילות הטעינה, לא ניתן להתעלם מהשפעתה על אורך חיי הסוללה. במהלך טעינה מהירה, זרם גדול מנחה יוני ליתיום להטמע במהירות לתוך האנודה. אם בקרת הטמפרטורה אינה מספקת, מתכת ליתיום עלולה להתמקם על משטח האנודה, וליצור דנדריטים שעלולים לנקב את המפריד, להוביל לקצרים פנימיים ולהאיץ ירידה בביצועי הסוללה. בנוסף, החום שנוצר במהלך טעינה מהירה, אם אינו מתפזר בזמן, יכול להאיץ את פירוק האלקטרוליט והזדקנות חומרי האלקטרודה, ולקצר את חיי המחזור של הסוללה.
סקר הראה כי עבור נהגי נסיעה-של כלי רכב חשמליים טהורים עם קילומטראז' יומי ממוצע העולה על 100 קילומטרים, שיעור השימוש בטעינה מהירה במיוחד עלה על 70%. דרגת הבריאות של סוללות הכוח-שלהן ירדה מ-100% עבור מכוניות חדשות ל-85% תוך שנתיים, עם ירידה שנתית ממוצעת של 7.5%. עם זאת, המחקר האחרון של הצוות של פרופסור Ouyang Minggao באוניברסיטת Tsinghua חשף ששימוש תכוף בטעינה מהירה במיוחד-מעל 120 קילוואט יכול לקצר את חיי המחזור של הסוללה ב-40% בהשוואה לטעינה איטית.
עם זאת, מחקרים מסוימים מצביעים על כך שההשפעה של טעינה מהירה על אורך חיי הסוללה אינה מוחלטת. מחקר מעקב שנערך על ידי Recurring Automatic על עשרות אלפי טסלים מצא שההבדל באורך חיי הסוללה בין טעינה מהירה לטעינה איטית הוא למעשה זניח. אפילו עבור רכבי נסיעה- מסחריים הנטענים- במהירות 1-2 פעמים ביום, מחזורי החלפת הסוללה שלהם דומים לאלה של מכוניות פרטיות. זה מיוחס בעיקר למערכות בקרת הטמפרטורה היעילות המפחיתות ביעילות את ההשפעות השליליות של טעינה מהירה.
III. אסטרטגיות טכניות לאיזון יעילות ותוחלת חיים
כדי למצוא איזון בין יעילות טעינה מהירה ותוחלת חיי הסוללה, התעשייה והארגונים אימצו שורה של אסטרטגיות טכניות.
במונחים של חדשנות חומרית, טכנולוגיית הטעינה המהירה האולטרה-של CATL משתמשת בטכנולוגיית קתודה אולטרה-של רשת אלקטרונית וטכנולוגיית האנודה המהירה ליונים מהדור גרפיט שני, מה שמשפר עוד יותר את יעילות התגובה האלקטרוכימית ויעילות הטעינה. רשת האלקטרונים האולטרה-, עם משטח החומר הננומטרי במלואו, בונה רשת אלקטרונית מחוברת- היטב, ומשפרת משמעותית את מהירות התגובה של החומר הקתודי לאותות הטעינה וקצב פירוק יון הליתיום. טבעת היונים המהירה-שכבת הציפוי הנקבובי על פני חומר האנודה מספקת שפע של אתרים פעילים להחלפת יוני ליתיום, מה שמגדיל מאוד את מהירות חילופי מטען יוני הליתיום ואת קצב ההטמעה.
בתכנון מבנה הסוללה, הצוות של פרופסור צ'או-יאנג וואנג פיתח סוללת "כל-האקלים". הם הכניסו רדיד ניקל בעובי 50-מיקרומטר- לתוך הסוללה, שיכול למעשה להתחמם{10}}בעצמו. כאשר הזרם מופעל בטמפרטורות נמוכות, הוא זורם דרך רדיד הניקל ומייצר חום. ברגע שהטמפרטורה הפנימית של הסוללה עולה על 60 מעלות, חיישן הטמפרטורה מופעל כדי לכבות את הזרם הזורם דרך נייר הניקל. סוללה זו יכולה להתחמם בעצמה ל-60 מעלות תוך 30 שניות מבלי לפגוע בביצועים ובאורך החיים שלה בטמפרטורות רגילות. תהליך זה אינו דורש סיוע של ציוד חימום חיצוני או תוספת של תוספים מיוחדים לאלקטרוליט.
במונחים של מערכות ניהול תרמיות של סוללות (BMS), חלק מיצרניות הרכב הציגו "מצב הגנה אולטרה-מהירה של טעינה מהירה". כאשר טעינת הסוללה נמוכה מ-20%, עוצמת הטעינה מוגבלת ל-60 קילוואט כדי למנוע בעיות{4}}שגורמות לסוללה. אחרים מאמצים טכנולוגיית חימום קדם- של סוללה, המשפרת את יעילות הטעינה המהירה ב-35% בסביבות ב-10 מעלות תוך הפחתת קצב דעיכת הסוללה ב-30%.
IV. אסטרטגיות שימוש משתמש ו-Industry Outlook
עבור המשתמשים, שימוש סביר בטעינה מהירה הוא חיוני להארכת חיי הסוללה. פרופסור קילו, מנהל המעבדה החדשה לחומרי אנרגיה וטכנולוגיה באוניברסיטת פקין, הצהיר כי על בעלי רכב להגביל את שיעור השימוש בטעינה מהירה במיוחד ל-40%. כאשר הזמן מאפשר, יש להשתמש בטעינה איטית ככל האפשר. במיוחד, יש להימנע מטעינה-מהירה במיוחד כאשר טעינת הסוללה נמוכה מ-10% או מעל 90%, שכן שימוש בטעינה-מהירה במיוחד בטווח זה עלול לגרום נזק גדול יותר לסוללה.
מנקודת מבט תעשייתית, באמצעות חדשנות במודלים מסחריים, כמו אימוץ מודל ליסינג של סוללות, יצרניות רכב יכולות לעבור מ"מכירת מוצרים" ל"מכירת שירותים". מודל הפרדת הסוללות של-רכב יכול להפחית את רגישות המשתמשים לאחריות הסוללה תוך כדי דחיפה של ארגונים לשפר את הבשלות של טכנולוגיות טעינה מהירה.
בעתיד, עם התקדמות טכנולוגית מתמשכת, האיזון בין יעילות הטעינה המהירה ותוחלת חיי הסוללה עבור סוללות ליתיום- יעבור אופטימיזציה נוספת. הופעתם של חומרים וטכנולוגיות חדשות, כגון אנודות מבוססות סיליקון וסוללות מוצק{{3}, צפויה לפתור באופן יסודי את בעיות תוחלת החיים הנגרמות מטעינה מהירה. יחד עם זאת, השיפור המתמיד של מערכות בקרת טמפרטורה חכמות, התאמת הספק דינמית וטכנולוגיות אחרות יספקו תמיכה חזקה יותר למהפכת טכנולוגיית הטעינה של סוללות ליתיום-יון.
במהפכת טכנולוגיית הטעינה הזו, סוללות ליתיום-יונים נעות בהדרגה לקראת איזון מושלם בין יעילות ותוחלת חיים. התעשייה והארגונים צריכים לחדש כל הזמן, והמשתמשים צריכים גם להשתמש בהם באופן סביר כדי לקדם במשותף את הפיתוח בר-קיימא של תעשיית רכבי האנרגיה החדשה.
