奥斯陆大学：为什么快速充电会降低汽车电池的容量

据国外媒体报道，当锂离子被迫快速通过电池时，它可能会被卡住，变成锂金属，再也无法通过电池。奥斯陆大学材料科学和纳米技术中心的高级工程师大卫·拉格(David Wragg)说:“快速充电是一个圣杯。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，你可以停下来吃点零食，同时给你的电动车加油，或者一边刷牙一边给手机充电。

(来源:奥斯陆大学)

但电池中有很多复杂的化学成分，对充电速度很敏感，可能会出问题。拉格说:“最关键的是容量的损失。可以做一个容量非常大的电池，支持你的电动车行驶1000公里，但是经过几次充放电循环后，会损失一半左右的容量和续航里程。”久而久之，所有充电电池都会变质。然而，当电池处于快速充电状态时，这种负面影响尤其强烈。

在一项研究中，研究人员如瑞格揭示了原因。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，快充大大加重了这种影响。

电池就像摇椅。

电池的一面是负极，另一面是正极。两个电极都可以储存电子和离子。电极之间是隔板和电解质，它帮助离子从一边移动到另一边。

离子和电子从电池的一边移动到另一边。当你使用电池中储存的电流时，离子和电子会从电池的一边移动到另一边；给电池充电时，离子和电子会往回移动。拉格说:“这叫做摇椅机制。你可以把离子和电子从一边摇到另一边。当电池处于比较新的状态，运行正常时，可以储存一定量的离子，这是整个系统的总容量。”

来回移动的离子变成金属后，就不能再穿过电池了。离子是带电的，可以被来回吸引。金属原子是中性的，不能向任何方向移动。Wragg说:“一旦锂变成金属，电化学反应就无法再进行。这种能力完全丧失了。”

所有可充电锂离子电池在充电一定次数后都会出现这种情况。但是为什么快充的时候会变差？

快速充电过程中的瓶颈

快速充电过程中，流经系统的离子数量相同，但速度更快。所有离子必须在更短的时间内找到它们在负电极上的位置。Wragg说:“当你以双倍速度充电时，你必须在一半的时间内移动相同数量的离子和电子。”如果以4-6倍的速度充电，自然难度更大。“这非常困难，因为当你试图快速将锂离子放入固体电极材料时，会有一定的化学限制。”

充电时，石墨阴极接收离子。石墨由薄的碳层形成，负电极包括数百万个这样的层。“空石墨就像一副扑克牌，锂离子就像被推进扑克牌之间空隙的球。问题是，当你试图在石墨层之间推动锂离子时，你可能会遇到瓶颈。你一直在推离子进去，但是除非已经进入层间的离子被推得更深，否则没有空间让新的离子进入。当你给电池快速充电时，锂根本无法扩散到整个石墨电极，而是卡在电解液附近，这里是正负极分离的地方。”

在这些出现瓶颈的地方，尤其是这里，带电离子变成中性原子，聚集成微小的金属块。当施加能量时，离子不能进一步移动。这些多余的能量可能是离子转变成中性稳定原子的原因。Wragg说:“这就是所谓的锂电镀，即锂离子不再以离子的形式存在，而是变成了锂金属。我们早就知道这一点，但之前在运行电池中没有观察到。”

然而，拉格和他的同事们成功地做到了这一点。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。这使他们能够获得大量数据，并了解原子级别上正在发生的事情。Wragg说:“事实上，我们可以看到锂涂层逐渐积累。在快速充电的过程中，我们可以看到锂的量迅速增加。我们的理论是，这与锂离子瓶颈有关。我们看到隔板附近有很多锂离子，这是我们看到锂涂层的地方。最有可能的是，这些锂离子堆积起来，再也无法进入石墨层。它们被卡在那里，大量的热量和能量被注入其中，使它们还原成锂金属。”

研究人员发现，最靠近另一个电极的石墨层富含锂，而更深处几乎没有锂。充电越快，情况越糟。“你推得越快，电镀就进行得越快。”

未来:纳米管和石墨烯？

这项研究并不是要结束快速充电，而是意味着研究人员必须找到新的更好的解决方案。Wragg说:“对于电池制造商来说，关键是要找到改善锂传输的方法。这样，在快速充电时，锂有更多的机会到达整个石墨阴极。”

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，许多人使用碳纳米管。这就像石墨被做成管子，没有那么扁。”

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。拉格说:“石墨已经存在了数百年。石墨烯和碳纳米管已经被认识了30年左右，所以这需要时间。到目前为止，这些创新还没有出现在商用电池中。毫无疑问，这肯定会发生。”据国外媒体报道，当锂离子被迫快速通过电池时，它可能会被卡住，变成锂金属，再也无法通过电池。大卫·拉格，材料研究中心的高级工程师…奥斯陆大学的科学家说:“快速充电是一个圣杯。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，你可以停下来吃点零食，同时给你的电动车加油，或者一边刷牙一边给手机充电。

(来源:奥斯陆大学)

但电池中有很多复杂的化学成分，对充电速度很敏感，可能会出问题。拉格说:“最关键的是容量的损失。可以做一个容量非常大的电池，支持你的电动车行驶1000公里，但是经过几次充放电循环后，会损失一半左右的容量和续航里程。”久而久之，所有充电电池都会变质。然而，当电池处于快速充电状态时，这种负面影响尤其强烈。

在一项研究中，研究人员如瑞格揭示了原因。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，快充大大加重了这种影响。

电池就像摇椅。

电池的一面是负极，另一面是正极。两个电极都可以储存电子和离子。电极之间是隔板和电解质，它帮助离子从一边移动到另一边。

离子和电子从电池的一边移动到另一边。当你使用电池中储存的电流时，离子和电子会从电池的一边移动到另一边；给电池充电时，离子和电子会往回移动。拉格说:“这叫做摇椅机制。你可以把离子和电子从一边摇到另一边。当电池处于比较新的状态，运行正常时，可以储存一定量的离子，这是整个系统的总容量。”

来回移动的离子变成金属后，就不能再穿过电池了。离子是带电的，可以被来回吸引。金属原子是中性的，不能向任何方向移动。Wragg说:“一旦锂变成金属，电化学反应就无法再进行。这种能力完全丧失了。”

所有可充电锂离子电池在充电一定次数后都会出现这种情况。但是为什么快充的时候会变差？

快速充电过程中的瓶颈

快速充电过程中，流经系统的离子数量相同，但速度更快。所有离子必须在更短的时间内找到它们在负电极上的位置。Wragg说:“当你以双倍速度充电时，你必须在一半的时间内移动相同数量的离子和电子。”如果以4-6倍的速度充电，自然难度更大。“这非常困难，因为当你试图快速将锂离子放入固体电极材料时，会有一定的化学限制。”

充电时，石墨阴极接收离子。石墨由薄的碳层形成，负电极包括数百万个这样的层。“空石墨就像一副扑克牌，锂离子就像被推进扑克牌之间空隙的球。问题是，当你试图在石墨层之间推动锂离子时，你可能会遇到瓶颈。你一直在推离子进去，但是除非已经进入层间的离子被推得更深，否则没有空间让新的离子进入。当你给电池快速充电时，锂根本无法扩散到整个石墨电极，而是卡在电解液附近，这里是正负极分离的地方。”

在这些出现瓶颈的地方，尤其是这里，带电离子变成中性原子，聚集成微小的金属块。当施加能量时，离子不能进一步移动。这些多余的能量可能是离子转变成中性稳定原子的原因。Wragg说:“这就是所谓的锂电镀，即锂离子不再以离子的形式存在，而是变成了锂金属。我们早就知道这一点，但之前在运行电池中没有观察到。”

然而，拉格和他的同事们成功地做到了这一点。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。这使他们能够获得大量数据，并了解原子级别上正在发生的事情。Wragg说:“事实上，我们可以看到锂涂层逐渐积累。在快速充电的过程中，我们可以看到锂的量迅速增加。我们的理论是，这与锂离子瓶颈有关。我们看到隔板附近有很多锂离子，这是我们看到锂涂层的地方。最有可能的是，这些锂离子堆积起来，再也无法进入石墨层。它们被卡在那里，大量的热量和能量被注入其中，使它们还原成锂金属。”

研究人员发现，最靠近另一个电极的石墨层富含锂，而更深处几乎没有锂。充电越快，情况越糟。“你推得越快，电镀就进行得越快。”

未来:纳米管和石墨烯？

这项研究并不是要结束快速充电，而是意味着研究人员必须找到新的更好的解决方案。Wragg说:“对于电池制造商来说，关键是要找到改善锂传输的方法。这样，在快速充电时，锂有更多的机会到达整个石墨阴极。”

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，许多人使用碳纳米管。这就像石墨被做成管子，没有那么扁。”

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。拉格说:“石墨已经存在了数百年。石墨烯和碳纳米管已经被认识了30年左右，所以这需要时间。到目前为止，这些创新还没有出现在商用电池中。毫无疑问，这肯定会发生。”

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