當(dāng)鋰離子被強(qiáng)制快速通過電池時(shí)，它們可能會(huì)被卡住，變成金屬鋰，不再能夠在電池中移動(dòng)。

想象一下，能夠在停下來(lái)吃快餐的時(shí)候給你的電動(dòng)車加油，或者在刷牙的時(shí)候給你的手機(jī)加油。

奧斯陸大學(xué)材料科學(xué)和納米技術(shù)中心的高級(jí)工程師DavidWragg說(shuō)："快速充電是一種圣杯。這是每個(gè)擁有基于鋰離子電池的設(shè)備的人希望能夠做到的。然而，在電池內(nèi)部，有許多復(fù)雜的化學(xué)成分，可能對(duì)充電的速度很敏感。事情可能會(huì)出錯(cuò)。”

容量損失是最關(guān)鍵的問題。

未來(lái)有可能制造出容量非常大的電池，可能讓你的電動(dòng)汽車行駛1000公里，但在你充電和放電幾次后，你將失去大約一半的容量和范圍。所有的可充電電池都會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化，但當(dāng)電池受到快速充電時(shí)，這種負(fù)面效應(yīng)會(huì)格外強(qiáng)烈。萊格是一項(xiàng)研究背后的研究人員之一，該研究表明了原因。

他們已經(jīng)能夠看到，對(duì)電池容量非常重要的鋰離子被轉(zhuǎn)化為純金屬鋰，不再有用了。而最重要的是：這種效果在快速充電時(shí)得到了極大的加強(qiáng)。

電池就像一把搖椅

在電池的一側(cè)是陽(yáng)極，另一側(cè)是陰極。這兩個(gè)電極都可以儲(chǔ)存電子和離子。在它們之間是一個(gè)分離器和液體電解質(zhì)，幫助離子從一邊到另一邊。當(dāng)你使用儲(chǔ)存在那里的電流時(shí)，離子和電子從電池的一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)，而當(dāng)你充電時(shí)又返回。

他們把這稱為搖椅機(jī)制，你把鐵子和電子從一邊搖到另一邊。當(dāng)它們是新鮮的，而且工作得很完美時(shí)，電池可以儲(chǔ)存一定數(shù)量的離子，這就是系統(tǒng)的總?cè)萘俊．?dāng)過去來(lái)回移動(dòng)的離子變成金屬時(shí)，它們不再能夠在電池中移動(dòng)。離子是帶電的，可以被引誘著來(lái)回移動(dòng)。金屬原子是中性的，不能被引誘到任何一個(gè)方向。

"一旦鋰變成了金屬，它就不能再真正進(jìn)入電化學(xué)反應(yīng)。這種能力完全喪失。"Wragg說(shuō)。

這發(fā)生在所有可充電的鋰離子電池中，當(dāng)你給它們充電足夠多的次數(shù)。但為什么當(dāng)你快速充電時(shí)，情況會(huì)變得更糟？

快速充電期間的瓶頸

在快速充電期間，同樣數(shù)量的離子在系統(tǒng)中移動(dòng)，但速度要快得多。所有離子必須在更短的時(shí)間內(nèi)找到它們?cè)陉?yáng)極的位置。

萊格說(shuō)："當(dāng)你以雙倍速度充電時(shí)，你必須在一半的時(shí)間內(nèi)移動(dòng)相同數(shù)量的離子和電子。如果你以四倍或六倍的速度充電，自然會(huì)更加困難。這很難，因?yàn)楫?dāng)你試圖將鋰離子快速放入固體電極材料時(shí)，化學(xué)反應(yīng)有一定的限制。"

在充電過程中接收離子的陽(yáng)極是由石墨制成的，而石墨是由碳的薄層形成的。陽(yáng)極由幾百萬(wàn)個(gè)這樣的層組成。

空的石墨就像一副牌，而鋰離子就像小球被推入牌之間的空間。問題是，當(dāng)你試圖將鋰離子推到石墨層之間時(shí)，你會(huì)遇到瓶頸。

你不斷地將離子推入，但除非已經(jīng)在層間的離子能夠推入更深的堆棧，否則就沒有空間讓新的離子進(jìn)入了。當(dāng)你給電池快速充電時(shí)，鋰根本不會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)石墨電極上。它只是被卡在靠近電解質(zhì)的地方，也就是陽(yáng)極和陰極分離的地方。

特別是在這里，在這些瓶頸處，帶電離子變成了中性原子，并積聚在小小的金屬塊中。離子不會(huì)進(jìn)一步移動(dòng)，在施加能量的同時(shí)。這種過剩的能量可能是將離子變?yōu)橹行院头€(wěn)定原子的原因。

這被稱為鍍鋰。這就是當(dāng)鋰離子，而不是停留在離子形式，變成了金屬鋰。這已經(jīng)知道了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，但以前沒有在工作的電池中真正觀察到它。

然而，這一點(diǎn)，Wragg和他的同事已經(jīng)成功做到了。使用X射線，他們每25毫秒掃描一次電池，在以不同的速度快速充電時(shí)，一次又一次地掃描。這給了他們關(guān)于正在發(fā)生的事情的大量數(shù)據(jù)，直到原子水平。

"我們實(shí)際上可以看到鋰電鍍層的建立。在快速充電過程中，我們可以看到鋰的數(shù)量增長(zhǎng)非常快。我們的理論是，這與鋰離子的這個(gè)瓶頸有關(guān)系。我們看到大量的鋰離子靠近分離器，這也是我們看到鍍鋰的地方。"Wragg說(shuō)。

最可能的事情是你得到這些鋰離子的積累，它們只是不能再進(jìn)入到石墨中。它們被卡在那里，有大量的熱量，大量的能量被投入到它們身上，因此它們被還原成金屬鋰。

他們看到，最靠近另一個(gè)電極的石墨層含有非常豐富的鋰，而在更深的地方，幾乎沒有鋰。他們充電越快，情況就越糟糕。你推動(dòng)它的速度越快，電鍍就越快。

未來(lái)：納米管和石墨烯？

這項(xiàng)研究決不是快速充電的終點(diǎn)。它只是意味著研究人員必須找到新的和更好的解決方案。

賴格說(shuō)："這對(duì)制造電池的人來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是要設(shè)法改善鋰的運(yùn)輸，以便當(dāng)你快速充電時(shí)，有更多的機(jī)會(huì)讓鋰真正通過石墨陽(yáng)極的整體。"

世界各地的研究人員正在尋找能夠使電池更好地承受快速充電的新材料和方法。例如，有很多人使用碳納米管。碳納米管是你得到的東西，如果你拿一張卡片并把它卷成一個(gè)管子。它就像一個(gè)被形成管子的石墨，而不是有點(diǎn)扁平。

拉格和奧斯陸大學(xué)的同事們?cè)陉?yáng)極中使用石墨烯，即石墨的單片。石墨已經(jīng)有幾百年的歷史了。石墨烯和碳納米管已經(jīng)知道了大約30年，所以這需要時(shí)間。

到目前為止，這些創(chuàng)新都沒有出現(xiàn)在商業(yè)電池中。