為什么快速充電會降低汽車電池的容量

當鋰離子被迫快速通過電池時，它們可能會卡住并變成鋰金屬，無法再通過電池。想象一下，您可以在停下來吃快餐的同時給電動汽車加油，或者在刷牙的同時給手機充電。

“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希望能夠做到的，”奧斯陸大學材料科學與納米技術中心的高級工程師 David Wragg 說。

然而，在電池內部，有很多復雜的化學物質對充電速度很敏感。事情可能會出錯。

“容量損失是最關鍵的，”Wragg 對 Titan.uio.no 說。

“有可能制造出容量非常大的電池，讓你的電動汽車行駛 1000 公里，但在你給它充電和放電幾次之后，你會失去大約一半的容量和續航里程。

所有可充電電池都會隨著時間的推移而退化，但是當電池進行快速充電時，這種負面影響會格外強烈。Wragg 是一項研究背后的研究人員之一，該研究表明了原因。

他們已經能夠看到，對電池容量非常重要的鋰離子轉化為純鋰金屬，不再有用。最重要的是：快速充電大大增強了這種效果。

電池就像搖椅

電池的一側是陽極，另一側是陰極。這兩個電極都可以存儲電子和離子。它們之間是隔板和液體電解質，幫助離子從一側轉移到另一側。

當您使用存儲在那里的電流時，離子和電子會從電池的一側移動到另一側，并在充電時再次返回。

“他們稱之為搖椅機制，你可以將鐵桿和電子從一側搖到另一側。”

“當它們新鮮且運行良好時，電池可以存儲一定數量的離子，這就是系統的總容量，”Wragg 說。

當過去來回移動的離子變成金屬時，它們不再能夠穿過電池。離子帶電，可以來回吸引。金屬原子是中性的，在任何一個方向都不會受到誘惑。

“一旦鋰變成金屬，就不能再進行電化學反應了。這種容量完全喪失了，”Wragg 說。

當您為鋰離子電池充電足夠次數時，所有可充電鋰離子電池都會發生這種情況。但是為什么當你快速充電時它會變得更糟?

快速充電過程中的瓶頸

在快速充電期間，相同數量的離子通過系統，但速度要快得多。所有離子必須在更短的時間內在陽極中找到它們的位置。

“當你以雙倍速度充電時，你必須在一半的時間內移動相同數量的離子和電子，”Wragg 說。

如果以四六倍的速度充電，自然就更難了。

“這很困難，因為當你嘗試將鋰離子非常快地放入固體電極材料時，化學反應存在某些限制，”Wragg 說。

在充電過程中接收離子的陽極由石墨制成，石墨由薄碳層形成。陽極由幾百萬這樣的層組成。

“空石墨就像一副紙牌，鋰離子就像被推入紙牌之間的空間的小球。問題是當你試圖在石墨層之間推動鋰離子時，你可能會遇到瓶頸。

“你不斷推入離子，但除非已經在層之間的離子可以推入更深的堆棧，否則新離子沒有空間進入。當你給電池充電非常快時，鋰不會擴散到整個根本就沒有石墨電極。它只是卡在電解液附近，陽極和陰極是分開的。”

尤其是在這里，在這些瓶頸中，帶電離子變成中性原子并積聚在微小的金屬塊中。在施加能量的同時，離子不會進一步移動。這種多余的能量可能是將離子變成中性和穩定原子的原因。

“這被稱為鋰電鍍。也就是說，當鋰離子不再以離子形式存在時，它變成了鋰金屬。這已經為人所知很久了，但之前在工作電池中并沒有真正觀察到它，”Wragg說。

然而，Wragg 和他的同事們設法做到了這一點。他們使用 X 射線，每 25 毫秒一次又一次地掃描電池，同時以不同的速率快速充電。這為他們提供了大量關于原子級別正在發生的事情的數據。

“我們實際上可以看到鋰鍍層的建立。在快速充電期間，我們可以看到鋰的數量增加得非常快。我們的理論是這與鋰離子的這個瓶頸有關。我們看到很多鋰離子接近隔板，這也是我們看到鋰電鍍的地方，”Wragg 說。

“最有可能的情況是，這些鋰離子積累起來，它們就無法再接觸到石墨。它們被困在那里，有很多熱量，大量能量被投入其中，因此它們會減少到鋰金屬。”

他們看到最靠近另一個電極的石墨層富含鋰，而在更深的地方幾乎沒有鋰。他們充電的速度越快，情況就越糟。

“你推動它的速度越快，電鍍發生的速度就越快，”Wragg 說。

未來：納米管和石墨烯?

這項研究絕不是快速充電的結束。這只是意味著研究人員必須找到新的更好的解決方案。

“對于制造電池的人來說，關鍵是要嘗試找出改善鋰傳輸的方法，這樣當你快速充電時，鋰就有更多機會真正穿過整個石墨陽極， “拉格說。

世界各地的研究人員正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，有很多人使用碳納米管。如果你拿一張卡片并將其卷成管狀，就會得到碳納米管。它就像石墨被制成管狀，而不是有點扁平。 ”

奧斯陸大學的 Wragg 及其同事正在研究陽極中的石墨烯，即單片石墨。

“石墨已經為人所知數百年。石墨烯和碳納米管已經為人所知大約 30 年，所以這需要時間。”

到目前為止，這些創新都沒有出現在商用電池中。

“但毫無疑問，它會發生，”Wragg 說。