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奥斯陆大学:为什么快速充电会降低汽车电池的容量

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58京牌 ,锂离子被迫快速通过电池时,可能会卡住并变成锂金属,无法再通过电池。奥斯陆大学(University of Oslo)材料科学与纳米技术中心的高级工程师David Wragg表示:“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想做的事情。”想象一下,你可以停下来吃点快餐,同时给你的加油,或者一边刷牙一边给手机充电。

(图片来源:奥斯陆大学)

然而,电池内部有许多复杂的化学成分,对充电速度很敏感,可能导致产生问题。Wragg表示:“最关键的是容量损失。有可能制造出容量非常大的电池,支持你的电动车行驶1000公里,但经过若干次充放电循环后,就会失去大约一半的容量和续航里程。”随着时间的推移,所有可充电电池都会发生退化。然而,当电池处于快速充电状态,这种负面影响尤为强烈。

在一项研究中,Wragg等研究人员揭示了其中的原因。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,快速充电大大加剧了这种影响。

电池就像摇椅

电池的一侧是负极,另一侧是正极。两个电极都能储存电子和离子。电极之间是隔板和电解液,帮助离子从一侧移到另一侧。

离子和电子从电池的一侧移至另一侧。当你使用储存在电池中的电流时,离子和电子会从电池的一边移动到另一边;为电池充电时,离子和电子又会移动回来。Wragg表示:“这称之为摇椅机制,你可以将离子和电子从一侧摇到另一侧。当电池处于较新的状态并正常运行时,可以储存一定数量的离子,这就是整个系统的总容量。”

来回移动的离子变成金属后,就无法再穿过电池。离子是带电的,可以被来回吸引。金属原子呈中性,不能向任何一个方向运动。Wragg表示:“一旦锂变成金属,就无法再进行电化学反应了。这种能力完全丧失了。”

当锂离子电池充电并达到一定次数后,所有可充电锂离子电池都会发生这种情况。但是,为什么快速充电时会变得更糟呢?

快速充电过程中的瓶颈

在快速充电过程中,流经系统的离子数量相同,但是速度更快。所有的离子必须在更短的时间内找到自己在负极上的位置。Wragg表示:“当你以双倍速度充电时,必须在一半的时间内移动同等数量的离子和电子。”如果以4-6倍的速度充电,自然就更难了。“这是很困难的,因为当你尝试将锂离子快速置入固体电极材料中,会存在一定的化学限制。”

石墨负极在充电时接收离子。石墨由薄的碳层形成,负极中包括几百万个这样的层体。“空石墨就像一副扑克牌,锂离子就像小球被推入纸牌之间的空间。问题是当你试图在石墨层之间推动锂离子时,可能会遇到瓶颈。你一直在往里推离子,然而除非已经进入层体之间的离子被推入更深的地方,否则就没有空间让新离子进入。当你快速为电池充电时,锂根本无法扩散到整个石墨电极上,而是卡在电解液附近,即正负极被隔开的地方。”

在这些产生瓶颈的地方,尤其是在此处,带电离子变成了中性原子,并聚集成微小的金属块。当施加能量时,离子无法进一步移动。这些过剩的能量可能就是离子转变为中性稳定原子的原因。Wragg表示:“这就是所谓的锂电镀,即锂离子不再以离子形式存在,而是变成了锂金属。我们已经知道这一点很长时间了,但之前并没有在运行的电池中观察到过。”

然而,Wragg及其同事们成功做到了这一点。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。这使他们获得了大量数据,可以了解到原子层面上正在发生的事情。Wragg表示:“实际上,我们可以看到锂镀层逐渐累积。在快速充电过程中,我们可以看到锂的数量快速增加。我们的理论是,这与所产生的锂离子瓶颈有关。我们在隔板附近看到很多锂离子,这也是我们看到锂镀层的地方。最有可能的是,这些锂离子堆积起来,就无法再进入石墨层了。它们被卡在那儿,大量的热量和能量注入其中,将其还原成锂金属。”

研究人员发现,最靠近另一个电极的石墨层富含锂,而更深的地方几乎没有锂。充电越快,情况就越糟。“你推动的速度越快,电镀发生的速度就越快。”

来:纳米管和石墨烯?

这项研究不是要终结快速充电,而是意味着研究人员必须找到新的、更好的解决方案。Wragg表示:“对于电池制造商来说,关键是要设法改善锂传输。这样当快速充电时,锂就有更多的机会到达整个石墨负极。”

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,很多人采用碳纳米管。这就像是石墨被制成管状,而不是那么扁平。”

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。Wragg表示:“石墨已经存在了几百年。石墨烯和碳纳米管为人所知也大约30年了,所以这需要时间。到目前为止,这些创新还没有出现在商业电池中。毫无疑问,这肯定会发生的。”

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