为什么快速充电会降低汽车电池的容量

当锂离子被迫快速通过电池时，它们可能会卡住并变成锂金属，无法再通过电池。想象一下，您可以在停下来吃快餐的同时给电动汽车加油，或者在刷牙的同时给手机充电。

“快速充电是一种圣杯。这是每个拥有锂离子电池设备的人都希望能够做到的，”奥斯陆大学材料科学与纳米技术中心的高级工程师 David Wragg 说。

然而，在电池内部，有很多复杂的化学物质对充电速度很敏感。事情可能会出错。

“容量损失是最关键的，”Wragg 对 Titan.uio.no 说。

“有可能制造出容量非常大的电池，让你的电动汽车行驶 1000 公里，但在你给它充电和放电几次之后，你会失去大约一半的容量和续航里程。

所有可充电电池都会随着时间的推移而退化，但是当电池进行快速充电时，这种负面影响会格外强烈。Wragg 是一项研究背后的研究人员之一，该研究表明了原因。

他们已经能够看到，对电池容量非常重要的锂离子转化为纯锂金属，不再有用。最重要的是：快速充电大大增强了这种效果。

电池就像摇椅

电池的一侧是阳极，另一侧是阴极。这两个电极都可以存储电子和离子。它们之间是隔板和液体电解质，帮助离子从一侧转移到另一侧。

当您使用存储在那里的电流时，离子和电子会从电池的一侧移动到另一侧，并在充电时再次返回。

“他们称之为摇椅机制，你可以将铁杆和电子从一侧摇到另一侧。”

“当它们新鲜且运行良好时，电池可以存储一定数量的离子，这就是系统的总容量，”Wragg 说。

当过去来回移动的离子变成金属时，它们不再能够穿过电池。离子带电，可以来回吸引。金属原子是中性的，在任何一个方向都不会受到诱惑。

“一旦锂变成金属，就不能再进行电化学反应了。这种容量完全丧失了，”Wragg 说。

当您为锂离子电池充电足够次数时，所有可充电锂离子电池都会发生这种情况。但是为什么当你快速充电时它会变得更糟?

快速充电过程中的瓶颈

在快速充电期间，相同数量的离子通过系统，但速度要快得多。所有离子必须在更短的时间内在阳极中找到它们的位置。

“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，”Wragg 说。

如果以四六倍的速度充电，自然就更难了。

“这很困难，因为当你尝试将锂离子非常快地放入固体电极材料时，化学反应存在某些限制，”Wragg 说。

在充电过程中接收离子的阳极由石墨制成，石墨由薄碳层形成。阳极由几百万这样的层组成。

“空石墨就像一副纸牌，锂离子就像被推入纸牌之间的空间的小球。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。

“你不断推入离子，但除非已经在层之间的离子可以推入更深的堆栈，否则新离子没有空间进入。当你给电池充电非常快时，锂不会扩散到整个根本就没有石墨电极。它只是卡在电解液附近，阳极和阴极是分开的。”

尤其是在这里，在这些瓶颈中，带电离子变成中性原子并积聚在微小的金属块中。在施加能量的同时，离子不会进一步移动。这种多余的能量可能是将离子变成中性和稳定原子的原因。

“这被称为锂电镀。也就是说，当锂离子不再以离子形式存在时，它变成了锂金属。这已经为人所知很久了，但之前在工作电池中并没有真正观察到它，”Wragg说。

然而，Wragg 和他的同事们设法做到了这一点。他们使用 X 射线，每 25 毫秒一次又一次地扫描电池，同时以不同的速率快速充电。这为他们提供了大量关于原子级别正在发生的事情的数据。

“我们实际上可以看到锂镀层的建立。在快速充电期间，我们可以看到锂的数量增加得非常快。我们的理论是这与锂离子的这个瓶颈有关。我们看到很多锂离子接近隔板，这也是我们看到锂电镀的地方，”Wragg 说。

“最有可能的情况是，这些锂离子积累起来，它们就无法再接触到石墨。它们被困在那里，有很多热量，大量能量被投入其中，因此它们会减少到锂金属。”

他们看到最靠近另一个电极的石墨层富含锂，而在更深的地方几乎没有锂。他们充电的速度越快，情况就越糟。

“你推动它的速度越快，电镀发生的速度就越快，”Wragg 说。

未来：纳米管和石墨烯?

这项研究绝不是快速充电的结束。这只是意味着研究人员必须找到新的更好的解决方案。

“对于制造电池的人来说，关键是要尝试找出改善锂传输的方法，这样当你快速充电时，锂就有更多机会真正穿过整个石墨阳极， “拉格说。

世界各地的研究人员正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，有很多人使用碳纳米管。如果你拿一张卡片并将其卷成管状，就会得到碳纳米管。它就像石墨被制成管状，而不是有点扁平。 ”

奥斯陆大学的 Wragg 及其同事正在研究阳极中的石墨烯，即单片石墨。

“石墨已经为人所知数百年。石墨烯和碳纳米管已经为人所知大约 30 年，所以这需要时间。”

到目前为止，这些创新都没有出现在商用电池中。

“但毫无疑问，它会发生，”Wragg 说。