Nell'attuale era di vigoroso sviluppo del settore dei veicoli a nuova energia, le batterie agli ioni di litio-, come fonte di energia principale, affrontano la sfida cruciale di bilanciare l'efficienza di ricarica e la durata. Con la crescente richiesta da parte dei consumatori di autonomie più lunghe e velocità di ricarica più elevate, nonché l'attenzione del mercato alla durata della batteria e all'efficienza in termini di costi-, la tecnologia di ricarica delle batterie agli ioni di litio- sta attraversando una profonda rivoluzione. Come garantire una ricarica ad alta-efficienza prolungando la durata della batteria è diventato un problema urgente che il settore deve affrontare.
I. Tecnologia di ricarica rapida: la forza trainante per il miglioramento dell'efficienza
Negli ultimi anni sono stati compiuti progressi significativi nella tecnologia di ricarica rapida delle batterie agli ioni di litio-. Prendiamo ad esempio CATL. La sua batteria a ricarica ultra-veloce "Shenxing" ha raggiunto una velocità di ricarica ultra-veloce di "10-minuti di ricarica per un'autonomia di 400-chilometri". Anche in ambienti freddi a -10 gradi, può caricarsi fino all'80% della capacità in 30 minuti. Nell'aprile 2024, CATL ha lanciato la batteria Shenxing PLUS, migliorando ulteriormente l'autonomia fino a 1.000 chilometri mantenendo la caratteristica di ricarica ultra-veloce che consente di caricare al 60% della capacità entro 10 minuti. Inoltre, CATL e SAIC-GM hanno collaborato per introdurre una batteria al litio ferro fosfato a ricarica ultrarapida 6C, che dovrebbe essere utilizzata nell'architettura aggiornata della batteria ad alta tensione Ultium quasi-900 V nel 2025. Questa batteria può essere caricata completamente entro 10 minuti, aggiungendo 200 chilometri di autonomia in 5 minuti.
Anche il gruppo di ricerca guidato dal professor Chao-Yang Wang della Pennsylvania State University ha ottenuto risultati notevoli. Hanno scoperto che se una batteria può essere riscaldata rapidamente a 60 gradi prima di caricarla, caricata a una velocità elevata per 10 minuti e quindi raffreddata rapidamente alla temperatura ambiente, è possibile evitare il degrado termico della batteria e prevenire una grave crescita della pellicola SEI (solid electrolyte interphase). Dopo ripetuti test, il team ha condotto test di carica isotermica su tre tipi di batterie di alimentazione a 40 gradi, 49 gradi e 60 gradi, utilizzando la carica a 20 gradi come controllo. Successivamente, le batterie sono state smontate per verificare la placcatura al litio. I risultati hanno mostrato che dopo 2500 cicli di ricarica estremamente rapida (6°C, 4,2 V) a 60 gradi per 10 minuti, la batteria ad alta-energia-densità con una capacità di 209 Wh/kg conservava ancora il 91,7% della sua capacità, con una perdita di capacità solo dell'8,3%. Questo ha superato di gran lunga l'obiettivo di "500 cicli, perdita di capacità del 20%" stabilito dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e durante il processo di ricarica non è stata osservata alcuna placcatura al litio.
Marchi come XPENG e NIO hanno anche raggiunto progressi nella ricarica ultra-veloce. XPENG ha lanciato la sua pila di ricarica ultra-veloce S4, con una potenza di uscita massima di 480 kW e una corrente di uscita massima di 670 A. Questo sistema può fornire un'autonomia di 200-chilometri per un'auto entro 5 minuti di ricarica. Secondo la dichiarazione ufficiale, il modello 4C può caricarsi dal 10% all'80% in meno di 15 minuti, ovvero la velocità di ricarica più veloce-per veicoli elettrici prodotti in serie a livello globale. Il modello 3C è inoltre dotato di una piattaforma ad alta tensione da 800 V, con una potenza di ricarica di picco di circa 300 kW. Può aggiungere 130 chilometri di autonomia entro 5 minuti dalla ricarica e ricaricarsi dal 10% all'80% in 20 minuti.
II. L'impatto della ricarica rapida sulla durata della batteria
Sebbene la tecnologia di ricarica rapida migliori notevolmente l’efficienza di ricarica, il suo impatto sulla durata della batteria non può essere ignorato. Durante la ricarica rapida, una grande corrente spinge gli ioni di litio a penetrare rapidamente nell'anodo. Se il controllo della temperatura è inadeguato, il litio metallico potrebbe depositarsi sulla superficie dell'anodo, formando dendriti che potrebbero potenzialmente forare il separatore, provocando cortocircuiti interni e accelerando il degrado delle prestazioni della batteria. Inoltre, il calore generato durante la ricarica rapida, se non dissipato nel tempo, può accelerare la decomposizione dell'elettrolita e l'invecchiamento dei materiali degli elettrodi, accorciando la durata della batteria.
Un sondaggio ha dimostrato che per i conducenti di ride{0}}hailing di veicoli esclusivamente elettrici con un chilometraggio medio giornaliero superiore a 100 chilometri, la percentuale di utilizzo della ricarica ultra-rapida ha superato il 70%. Lo stato di salute delle batterie di bordo-è sceso dal 100% per le auto nuove all'85% in due anni, con un calo medio annuo del 7,5%. Tuttavia, l'ultima ricerca condotta dal team del professor Ouyang Minggao presso l'Università di Tsinghua ha rivelato che l'uso frequente della ricarica ultra-veloce superiore a 120 kW può ridurre la durata del ciclo di vita della batteria del 40% rispetto alla ricarica lenta.
Tuttavia, alcuni studi indicano che l’impatto della ricarica rapida sulla durata della batteria non è assoluto. Uno studio di monitoraggio condotto da Recurring Automatic su decine di migliaia di Tesla ha rilevato che la differenza nella durata della batteria tra ricarica rapida e ricarica lenta è in realtà trascurabile. Anche per i veicoli commerciali-da taxi che vengono-ricaricati rapidamente 1-2 volte al giorno, i cicli di sostituzione della batteria sono simili a quelli delle auto private. Ciò è principalmente attribuito agli efficienti sistemi di controllo della temperatura che mitigano efficacemente gli impatti negativi della ricarica rapida.
III. Strategie tecniche per bilanciare efficienza e durata
Per trovare un equilibrio tra efficienza di ricarica rapida e durata della batteria, l’industria e le imprese hanno adottato una serie di strategie tecniche.
In termini di innovazione dei materiali, la tecnologia di ricarica ultra-veloce di CATL impiega una tecnologia catodica di rete ultra-elettronica e una tecnologia di anodo ad anello ionico veloce in grafite di seconda-generazione, migliorando ulteriormente l'efficienza della reazione elettrochimica e l'efficienza di carica. La rete di ultra-elettroni, con la sua superficie del materiale completamente nanometrizzata, costruisce una rete di elettroni ben-connessa, migliorando significativamente la velocità di risposta del materiale catodico ai segnali di carica e la velocità di desorbimento degli ioni di litio. Lo strato di rivestimento poroso modificato con anello ionico veloce-sulla superficie del materiale dell'anodo fornisce abbondanti siti attivi per lo scambio di ioni di litio, aumentando notevolmente la velocità di scambio della carica degli ioni di litio e la velocità di incorporamento.
Nella progettazione della struttura della batteria, il team del professor Chao-Yang Wang ha sviluppato una batteria "per ogni-clima". Hanno inserito una lamina di nichel spessa 50-micrometri-all'interno della batteria, che può autoriscaldarsi in modo efficace. Quando la corrente viene attivata a basse temperature, scorre attraverso la lamina di nichel, generando calore. Una volta che la temperatura interna della batteria supera i 60 gradi, il sensore di temperatura viene attivato per interrompere la corrente che scorre attraverso la lamina di nichel. Questa batteria può riscaldarsi automaticamente fino a 60 gradi entro 30 secondi senza comprometterne le prestazioni e la durata a temperature normali. Questo processo non richiede l'ausilio di apparecchiature di riscaldamento esterne o l'aggiunta di additivi speciali all'elettrolita.
In termini di sistemi di gestione termica della batteria (BMS), alcune case automobilistiche hanno introdotto una "modalità di protezione della ricarica ultra-veloce". Quando la carica della batteria è inferiore al 20%, la potenza di ricarica è limitata a 60 kW per evitare alcuni problemi di danneggiamento della batteria. Altri adottano la tecnologia di preriscaldamento della batteria-, che migliora l'efficienza di ricarica rapida del 35% in ambienti a -10 gradi riducendo al tempo stesso il tasso di decadimento della batteria del 30%.
IV. Strategie di utilizzo degli utenti e prospettive del settore
Per gli utenti, un uso ragionevole della ricarica rapida è fondamentale per prolungare la durata della batteria. Il professor Qilu, direttore del Laboratorio per i nuovi materiali e tecnologie energetiche dell'Università di Pechino, ha affermato che i proprietari di auto dovrebbero limitare la percentuale di utilizzo della ricarica ultra-veloce entro il 40%. Quando il tempo lo consente, è opportuno utilizzare il più possibile la ricarica lenta. In particolare, la ricarica ultra-veloce dovrebbe essere evitata quando la carica della batteria è inferiore al 10% o superiore al 90%, poiché l'utilizzo della ricarica ultra-veloce in questo intervallo può causare danni maggiori alla batteria.
Dal punto di vista del settore, attraverso l’innovazione del modello commerciale, come l’adozione di un modello di leasing delle batterie, le case automobilistiche possono passare dalla “vendita di prodotti” alla “vendita di servizi”. Il modello di separazione delle batterie dei veicoli-può ridurre la sensibilità degli utenti alle garanzie delle batterie e allo stesso tempo spingere le aziende a migliorare la maturità delle tecnologie di ricarica rapida.
In futuro, con il continuo progresso tecnologico, l'equilibrio tra efficienza di ricarica rapida e durata della batteria per le batterie agli ioni di litio- sarà ulteriormente ottimizzato. Si prevede che l'emergere di nuovi materiali e tecnologie, come gli anodi a base di silicio-e le batterie allo stato solido-, risolverà radicalmente i problemi di durata causati dalla ricarica rapida. Allo stesso tempo, il miglioramento continuo dei sistemi intelligenti di controllo della temperatura, della regolazione dinamica della potenza e di altre tecnologie fornirà un supporto più forte alla rivoluzione della tecnologia di ricarica delle batterie agli ioni di litio-.
In questa rivoluzione tecnologica di ricarica, le batterie agli ioni di litio- si stanno gradualmente muovendo verso un perfetto equilibrio tra efficienza e durata. L’industria e le imprese devono innovarsi continuamente e anche gli utenti devono utilizzarle in modo ragionevole per promuovere congiuntamente lo sviluppo sostenibile del settore dei veicoli a nuova energia.
