據(jù)外媒報(bào)道，鋰離子被迫快速通過電池時(shí)，可能會(huì)卡住并變成鋰金屬，無法再通過電池。奧斯陸大學(xué)（University of Oslo）材料科學(xué)與納米技術(shù)中心的高級(jí)工程師David Wragg表示：“快速充電是一種圣杯。這是每個(gè)擁有鋰離子電池設(shè)備的人都想做的事情。”想象一下，你可以停下來吃點(diǎn)快餐，同時(shí)給你的電動(dòng)汽車加油，或者一邊刷牙一邊給手機(jī)充電。

 

（圖片來源：奧斯陸大學(xué)）

 

然而，電池內(nèi)部有許多復(fù)雜的化學(xué)成分，對(duì)充電速度很敏感，可能導(dǎo)致產(chǎn)生問題。Wragg表示：“最關(guān)鍵的是容量損失。有可能制造出容量非常大的電池，支持你的電動(dòng)車行駛1000公里，但經(jīng)過若干次充放電循環(huán)后，就會(huì)失去大約一半的容量和續(xù)航里程。”隨著時(shí)間的推移，所有可充電電池都會(huì)發(fā)生退化。然而，當(dāng)電池處于快速充電狀態(tài)，這種負(fù)面影響尤為強(qiáng)烈。

 

在一項(xiàng)研究中，Wragg等研究人員揭示了其中的原因。研究人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)電池容量至關(guān)重要的鋰離子，被轉(zhuǎn)化為純鋰金屬，無法再發(fā)揮作用。最重要的是，快速充電大大加劇了這種影響。

 

 

電池的一側(cè)是負(fù)極，另一側(cè)是正極。兩個(gè)電極都能儲(chǔ)存電子和離子。電極之間是隔板和電解液，幫助離子從一側(cè)移到另一側(cè)。

 

離子和電子從電池的一側(cè)移至另一側(cè)。當(dāng)你使用儲(chǔ)存在電池中的電流時(shí)，離子和電子會(huì)從電池的一邊移動(dòng)到另一邊；為電池充電時(shí)，離子和電子又會(huì)移動(dòng)回來。Wragg表示：“這稱之為搖椅機(jī)制，你可以將離子和電子從一側(cè)搖到另一側(cè)。當(dāng)電池處于較新的狀態(tài)并正常運(yùn)行時(shí)，可以儲(chǔ)存一定數(shù)量的離子，這就是整個(gè)系統(tǒng)的總?cè)萘俊?rdquo;

 

來回移動(dòng)的離子變成金屬后，就無法再穿過電池。離子是帶電的，可以被來回吸引。金屬原子呈中性，不能向任何一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。Wragg表示：“一旦鋰變成金屬，就無法再進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)了。這種能力完全喪失了。”

 

當(dāng)鋰離子電池充電并達(dá)到一定次數(shù)后，所有可充電鋰離子電池都會(huì)發(fā)生這種情況。但是，為什么快速充電時(shí)會(huì)變得更糟呢？

 

 

在快速充電過程中，流經(jīng)系統(tǒng)的離子數(shù)量相同，但是速度更快。所有的離子必須在更短的時(shí)間內(nèi)找到自己在負(fù)極上的位置。Wragg表示：“當(dāng)你以雙倍速度充電時(shí)，必須在一半的時(shí)間內(nèi)移動(dòng)同等數(shù)量的離子和電子。”如果以4－6倍的速度充電，自然就更難了。“這是很困難的，因?yàn)楫?dāng)你嘗試將鋰離子快速置入固體電極材料中，會(huì)存在一定的化學(xué)限制。”

 

石墨負(fù)極在充電時(shí)接收離子。石墨由薄的碳層形成，負(fù)極中包括幾百萬個(gè)這樣的層體。“空石墨就像一副撲克牌，鋰離子就像小球被推入紙牌之間的空間。問題是當(dāng)你試圖在石墨層之間推動(dòng)鋰離子時(shí)，可能會(huì)遇到瓶頸。你一直在往里推離子，然而除非已經(jīng)進(jìn)入層體之間的離子被推入更深的地方，否則就沒有空間讓新離子進(jìn)入。當(dāng)你快速為電池充電時(shí)，鋰根本無法擴(kuò)散到整個(gè)石墨電極上，而是卡在電解液附近，即正負(fù)極被隔開的地方。”

 

在這些產(chǎn)生瓶頸的地方，尤其是在此處，帶電離子變成了中性原子，并聚集成微小的金屬塊。當(dāng)施加能量時(shí)，離子無法進(jìn)一步移動(dòng)。這些過剩的能量可能就是離子轉(zhuǎn)變?yōu)橹行苑€(wěn)定原子的原因。Wragg表示：“這就是所謂的鋰電鍍，即鋰離子不再以離子形式存在，而是變成了鋰金屬。我們已經(jīng)知道這一點(diǎn)很長(zhǎng)時(shí)間了，但之前并沒有在運(yùn)行的電池中觀察到過。”

 

然而，Wragg及其同事們成功做到了這一點(diǎn)。研究人員使用X射線，每25毫秒掃描一次電池，并以不同的速度快速充電。這使他們獲得了大量數(shù)據(jù)，可以了解到原子層面上正在發(fā)生的事情。Wragg表示：“實(shí)際上，我們可以看到鋰鍍層逐漸累積。在快速充電過程中，我們可以看到鋰的數(shù)量快速增加。我們的理論是，這與所產(chǎn)生的鋰離子瓶頸有關(guān)。我們?cè)诟舭甯浇吹胶芏噤囯x子，這也是我們看到鋰鍍層的地方。最有可能的是，這些鋰離子堆積起來，就無法再進(jìn)入石墨層了。它們被卡在那兒，大量的熱量和能量注入其中，將其還原成鋰金屬。”

 

研究人員發(fā)現(xiàn)，最靠近另一個(gè)電極的石墨層富含鋰，而更深的地方幾乎沒有鋰。充電越快，情況就越糟。“你推動(dòng)的速度越快，電鍍發(fā)生的速度就越快。”

 

 

這項(xiàng)研究不是要終結(jié)快速充電，而是意味著研究人員必須找到新的、更好的解決方案。Wragg表示：“對(duì)于電池制造商來說，關(guān)鍵是要設(shè)法改善鋰傳輸。這樣當(dāng)快速充電時(shí)，鋰就有更多的機(jī)會(huì)到達(dá)整個(gè)石墨負(fù)極。”

 

世界各地的研究人員都在尋找新的材料和方法，使電池能夠更好地承受快速充電。“例如，很多人采用碳納米管。這就像是石墨被制成管狀，而不是那么扁平。”

 

奧斯陸大學(xué)的研究人員正在研究負(fù)極中的石墨烯，即單層石墨。Wragg表示：“石墨已經(jīng)存在了幾百年。石墨烯和碳納米管為人所知也大約30年了，所以這需要時(shí)間。到目前為止，這些創(chuàng)新還沒有出現(xiàn)在商業(yè)電池中。毫無疑問，這肯定會(huì)發(fā)生的。”