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消費者對電動汽車的一個重要要求是能夠在與內燃機加油相當的時間尺度（<15分鐘）上為電池組充電（~80%）。但是，過快充電會加速電池衰減甚至導致災難性事件。因此，必須制定充電策略，充分利用電池倍率能力而不會越過界限而導致嚴重性能衰減。

在此，美國阿貢國家實驗室Juhyun Song, Kevin W. Knehr等人分析了如何使用電化學和熱控制來最小化充電時間并管理衰減風險。

具體而言，作者開發了一種電化學-熱模型來引入一種恒定風險（CR）的快充協議，通過控制電流實現最小化充電時間，同時將電池保持在預定義的邊界內（即最大充電電流、最大電池溫度和最小過電位以防止鋰電鍍）限制性能衰減風險。

鋰離子軟包電池的連續水平模型用于模擬具有CR狀況的充電，當它與主動熱管理（開環開/關控制）配對時，通過快速脫離熱保護模式但仍然利用高溫下的輕松傳輸特性提供比絕熱或恒定冷卻條件更快的充電。

圖1. 不同充電時間和衰減極限的電池設計曲線

結果顯示，當以中等程度的衰減風險充電時，典型的NMC/石墨電池可在10分鐘內實現80%的充電容量且電池成本低于$100 kW^-1 h^-1（對應于80 μm厚負極）。

該研究闡明了快充時間和協議設計中允許的風險之間的權衡。例如，將最高允許溫度從40°C提高到60°C，最多可以將充電時間縮短50%。同樣，將允許的負極電位從50 mV降低到10 mV，最多可以將充電時間減少35%。

最后，將允許的倍率從4C增加到12C，可以將充電時間減少67%，但僅適用于薄（<40 μm）負極。這些權衡可以轉化為與所需充電時間相關的電池成本曲線，更激進的設計限制可以更快地為更厚的電極充電，從而降低給定充電目標的電池成本。

圖2. 充電時間對負極厚度/負載和電池成本的影響曲線

Pathways towards managing cost and degradation risk of fast charging cells with electrical and thermal controls, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE02286E

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