15分鐘充電還有多遠(yuǎn) 科學(xué)家揭示電池材料突破快充的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

根據(jù)美國先進(jìn)電池聯(lián)盟的定義，極速充電的目標(biāo)是15分鐘充電到80%容量，它將加速電動(dòng)汽車的普及、抑制溫室氣體排放，進(jìn)而加強(qiáng)各國的能源安全。然而，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要跨越多個(gè)障礙。6月3日，美國斯坦福大學(xué)教授崔屹團(tuán)隊(duì)在《自然—能源》上撰文，分析了當(dāng)前電池材料對(duì)極速充電的主要限制，以及快速充電條件下電池材料面臨的挑戰(zhàn)和未來研究方向。

“實(shí)現(xiàn)電池極速充電可以大大促進(jìn)電動(dòng)汽車的普及，然而當(dāng)前的鋰離子動(dòng)力電池還無法在不影響循環(huán)性能的前提下實(shí)現(xiàn)極速充電的目標(biāo)，因此電池技術(shù)是極速充電的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸?！贝抟俑嬖V《中國科學(xué)報(bào)》，“這篇綜述從電池技術(shù)的層面（離子和電子的傳輸、電池組的熱管理等）總結(jié)了實(shí)現(xiàn)快速充電的挑戰(zhàn)和可能的研究方向。”

與內(nèi)燃機(jī)車相比，電動(dòng)和插電式的混合動(dòng)力汽車有限的行駛里程和較長的充電時(shí)間，引發(fā)了人們的“里程焦慮”，同時(shí)也影響了潛在新車主對(duì)電動(dòng)汽車的購買意愿。

目前的電動(dòng)汽車主要在住宅和工作場所充電，充電時(shí)間約為數(shù)十小時(shí)。即便是特斯拉汽車超級(jí)充電站，能提供的最快充電率為120千瓦，將200英里的充電時(shí)間縮短到大約30分鐘，這一最先進(jìn)的充電能力仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能為消費(fèi)者提供與傳統(tǒng)汽車加油相同的體驗(yàn)。

因此，美國能源部已將極速充電確定為一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，以推動(dòng)電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車的大規(guī)模使用，遏制溫室氣體排放和確保能源安全。

在文中，崔屹與博士生劉亞媛和朱洋瑩表示，電解質(zhì)傳質(zhì)性能在確定電池的充電速度方面起決定性作用。而改善電解質(zhì)離子電導(dǎo)率、改善電解質(zhì)鋰離子轉(zhuǎn)移數(shù)t+、減少離子傳輸路徑的曲折度和電池輕量化設(shè)計(jì)，能有助于應(yīng)對(duì)電解質(zhì)傳質(zhì)的挑戰(zhàn)。

就電極電荷轉(zhuǎn)移而言，石墨表面鍍鋰是快速充電產(chǎn)生的主要問題。因此，應(yīng)注意低電阻SEI、加速鋰離子去溶劑化和增加活性位密度。

此外，研究人員還介紹了先進(jìn)的表征技術(shù)，可以幫助從根源上了解快速充電過程中電池的故障機(jī)制，從而為更合理的電池設(shè)計(jì)提供信息。

崔屹提到，除了電池本身的技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)快充還需要一系列的配套設(shè)備并綜合考量各個(gè)方面的因素，比如電網(wǎng)的負(fù)荷能力、交流電轉(zhuǎn)換直流電的充電控制系統(tǒng)、電池安全和充電成本等。

對(duì)于未來研究方向，研究人員強(qiáng)調(diào)了利用冷凍電鏡從納米/原子尺度觀察SEI的結(jié)構(gòu)及成分、鋰枝晶的生長等，并把這些信息和充電速率、電解液等因素結(jié)合，從而更好地設(shè)計(jì)快充電池。

“我們也很重視電池在快充過程中的安全性，希望在電池中引入可以原位檢測電池健康程度的機(jī)制，以更好地保證電池安全。此外，研究新型的、更適合快充的正負(fù)極材料也至關(guān)重要。”崔屹表示，長遠(yuǎn)來看，新型的電池結(jié)構(gòu)，如3D電池，可以促進(jìn)鋰離子和電子在電池內(nèi)的運(yùn)輸，從而實(shí)現(xiàn)快速充電。“但是新型電池結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)還需要研究?！彼f。