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2021年10月12日 | 奥斯陆大学：为什么快速充电会降低汽车电池的容量
2021-10-12
据外媒报道，锂离子被迫快速通过电池时，可能会卡住并变成锂金属，无法再通过电池。奥斯陆大学（University of Oslo）材料科学与纳米技术中心的高级工程师David Wragg表示：“快速充电是一种圣杯。这是每个拥有锂离子电池设备的人都想做的事情。”想象一下，你可以停下来吃点快餐，同时给你的电动汽车加油，或者一边刷牙一边给手机充电。
（图片来源：奥斯陆大学）
然而，电池内部有许多复杂的化学成分，对充电速度很敏感，可能导致产生问题。Wragg表示：“最关键的是容量损失。有可能制造出容量非常大的电池，支持你的电动车行驶1000公里，但经过若干次充放电循环后，就会失去大约一半的容量和续航里程。”随着时间的推移，所有可充电电池都会发生退化。然而，当电池处于快速充电状态，这种负面影响尤为强烈。
在一项研究中，Wragg等研究人员揭示了其中的原因。研究人员发现，对电池容量至关重要的锂离子，被转化为纯锂金属，无法再发挥作用。最重要的是，快速充电大大加剧了这种影响。
电池就像摇椅
电池的一侧是负极，另一侧是正极。两个电极都能储存电子和离子。电极之间是隔板和电解液，帮助离子从一侧移到另一侧。
离子和电子从电池的一侧移至另一侧。当你使用储存在电池中的电流时，离子和电子会从电池的一边移动到另一边；为电池充电时，离子和电子又会移动回来。Wragg表示：“这称之为摇椅机制，你可以将离子和电子从一侧摇到另一侧。当电池处于较新的状态并正常运行时，可以储存一定数量的离子，这就是整个系统的总容量。”
来回移动的离子变成金属后，就无法再穿过电池。离子是带电的，可以被来回吸引。金属原子呈中性，不能向任何一个方向运动。Wragg表示：“一旦锂变成金属，就无法再进行电化学反应了。这种能力完全丧失了。”
当锂离子电池充电并达到一定次数后，所有可充电锂离子电池都会发生这种情况。但是，为什么快速充电时会变得更糟呢？
快速充电过程中的瓶颈
在快速充电过程中，流经系统的离子数量相同，但是速度更快。所有的离子必须在更短的时间内找到自己在负极上的位置。Wragg表示：“当你以双倍速度充电时，必须在一半的时间内移动同等数量的离子和电子。”如果以4－6倍的速度充电，自然就更难了。“这是很困难的，因为当你尝试将锂离子快速置入固体电极材料中，会存在一定的化学限制。”
石墨负极在充电时接收离子。石墨由薄的碳层形成，负极中包括几百万个这样的层体。“空石墨就像一副扑克牌，锂离子就像小球被推入纸牌之间的空间。问题是当你试图在石墨层之间推动锂离子时，可能会遇到瓶颈。你一直在往里推离子，然而除非已经进入层体之间的离子被推入更深的地方，否则就没有空间让新离子进入。当你快速为电池充电时，锂根本无法扩散到整个石墨电极上，而是卡在电解液附近，即正负极被隔开的地方。”
在这些产生瓶颈的地方，尤其是在此处，带电离子变成了中性原子，并聚集成微小的金属块。当施加能量时，离子无法进一步移动。这些过剩的能量可能就是离子转变为中性稳定原子的原因。Wragg表示：“这就是所谓的锂电镀，即锂离子不再以离子形式存在，而是变成了锂金属。我们已经知道这一点很长时间了，但之前并没有在运行的电池中观察到过。”
然而，Wragg及其同事们成功做到了这一点。研究人员使用X射线，每25毫秒扫描一次电池，并以不同的速度快速充电。这使他们获得了大量数据，可以了解到原子层面上正在发生的事情。Wragg表示：“实际上，我们可以看到锂镀层逐渐累积。在快速充电过程中，我们可以看到锂的数量快速增加。我们的理论是，这与所产生的锂离子瓶颈有关。我们在隔板附近看到很多锂离子，这也是我们看到锂镀层的地方。最有可能的是，这些锂离子堆积起来，就无法再进入石墨层了。它们被卡在那儿，大量的热量和能量注入其中，将其还原成锂金属。”
研究人员发现，最靠近另一个电极的石墨层富含锂，而更深的地方几乎没有锂。充电越快，情况就越糟。“你推动的速度越快，电镀发生的速度就越快。”
未来：纳米管和石墨烯？
这项研究不是要终结快速充电，而是意味着研究人员必须找到新的、更好的解决方案。Wragg表示：“对于电池制造商来说，关键是要设法改善锂传输。这样当快速充电时，锂就有更多的机会到达整个石墨负极。”
世界各地的研究人员都在寻找新的材料和方法，使电池能够更好地承受快速充电。“例如，很多人采用碳纳米管。这就像是石墨被制成管状，而不是那么扁平。”
奥斯陆大学的研究人员正在研究负极中的石墨烯，即单层石墨。Wragg表示：“石墨已经存在了几百年。石墨烯和碳纳米管为人所知也大约30年了，所以这需要时间。到目前为止，这些创新还没有出现在商业电池中。毫无疑问，这肯定会发生的。”
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