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

 

（圖片來源：奧斯陸大學）

 

然而，電池內部有許多復雜的化學成分，對充電速度很敏感，可能導致產生問題。Wragg表示：“最關鍵的是容量損失。有可能制造出容量非常大的電池，支持你的電動車行駛1000公里，但經過若干次充放電循環后，就會失去大約一半的容量和續航里程。”隨著時間的推移，所有可充電電池都會發生退化。然而，當電池處于快速充電狀態，這種負面影響尤為強烈。

 

在一項研究中，Wragg等研究人員揭示了其中的原因。研究人員發現，對電池容量至關重要的鋰離子，被轉化為純鋰金屬，無法再發揮作用。最重要的是，快速充電大大加劇了這種影響。

 

 

電池的一側是負極，另一側是正極。兩個電極都能儲存電子和離子。電極之間是隔板和電解液，幫助離子從一側移到另一側。

 

離子和電子從電池的一側移至另一側。當你使用儲存在電池中的電流時，離子和電子會從電池的一邊移動到另一邊；為電池充電時，離子和電子又會移動回來。Wragg表示：“這稱之為搖椅機制，你可以將離子和電子從一側搖到另一側。當電池處于較新的狀態并正常運行時，可以儲存一定數量的離子，這就是整個系統的總容量。”

 

來回移動的離子變成金屬后，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，不能向任何一個方向運動。Wragg表示：“一旦鋰變成金屬，就無法再進行電化學反應了。這種能力完全喪失了。”

 

當鋰離子電池充電并達到一定次數后，所有可充電鋰離子電池都會發生這種情況。但是，為什么快速充電時會變得更糟呢？

 

 

在快速充電過程中，流經系統的離子數量相同，但是速度更快。所有的離子必須在更短的時間內找到自己在負極上的位置。Wragg表示：“當你以雙倍速度充電時，必須在一半的時間內移動同等數量的離子和電子。”如果以4－6倍的速度充電，自然就更難了。“這是很困難的，因為當你嘗試將鋰離子快速置入固體電極材料中，會存在一定的化學限制。”

 

石墨負極在充電時接收離子。石墨由薄的碳層形成，負極中包括幾百萬個這樣的層體。“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。問題是當你試圖在石墨層之間推動鋰離子時，可能會遇到瓶頸。你一直在往里推離子，然而除非已經進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入。當你快速為電池充電時，鋰根本無法擴散到整個石墨電極上，而是卡在電解液附近，即正負極被隔開的地方。”

 

在這些產生瓶頸的地方，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。當施加能量時，離子無法進一步移動。這些過剩的能量可能就是離子轉變為中性穩定原子的原因。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。我們已經知道這一點很長時間了，但之前并沒有在運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。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據，可以了解到原子層面上正在發生的事情。Wragg表示：“實際上，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量快速增加。我們的理論是，這與所產生的鋰離子瓶頸有關。我們在隔板附近看到很多鋰離子，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。”

 

研究人員發現，最靠近另一個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。“你推動的速度越快，電鍍發生的速度就越快。”

 

 

這項研究不是要終結快速充電，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：“對于電池制造商來說，關鍵是要設法改善鋰傳輸。這樣當快速充電時，鋰就有更多的機會到達整個石墨負極。”

 

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。”

 

奧斯陸大學的研究人員正在研究負極中的石墨烯，即單層石墨。Wragg表示：“石墨已經存在了幾百年。石墨烯和碳納米管為人所知也大約30年了，所以這需要時間。到目前為止，這些創新還沒有出現在商業電池中。毫無疑問，這肯定會發生的。”