這事聊瞭好幾年
鋰電池的充電速度會提高
在過去的幾年，鋰電池容量及充電速度一直都是熱門話題，不少鋰電池廠商把它作為產品噱頭，紛紛推出瞭各種新能源鋰電池~但要理解這個問題，就要先瞭解限制鋰電池容量的原因都有哪些：
鋰電池容量和充電速率是兩個主要的電池局限，容量受限於電荷密度，即電池的兩極能容納多少鋰離子，充電速率則受限於鋰離子從電解液到達負極的速度。采用矽和磷烯研發全新的復合物，用於制作鋰離子電池的陽極，該材料非常高效，相較於當前的鋰離子電池，新款陽極材料將電池的充電速度和電池容量分別提升瞭3倍和5倍，同時還降低瞭電池的整體重量。若僅將矽用作電池的陽極材料，會導致其循環穩定性較弱。
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現有鋰電池的負極由碳基的石墨烯片層層堆積而成，一個鋰原子需要適配6個碳原子。為瞭增加儲電量，科學傢曾嘗試利用矽代替碳，以使矽可以適配更多鋰，達到4個鋰原子對應1個矽原子。然而，矽會在充電過程中顯著擴展和縮小，從而引起充電容量的快速破裂和遺失，石墨烯片的形狀也會制約電池的充電率。鋰電池的充電方法有很多種，常用的充電方法有恒定電流充電法、恒定電壓充電法、恒流恒壓充電法、變流充電法、脈沖充電法、間歇充電法等。
目前石墨烯在電池上的應用，主要是和矽結合在電池負極裡面代替原來的石墨，這樣可以提升電池的整體容量和充電速度，但性能提升效果有限，對鋰電池進行充電要按照時間順序對其充電電流和充電電壓進行控制，不能濫充，否則就極易損壞電池。
從新材料下手
充電速度逐步提高
早在兩年前，中國科學技術大學季恒星教授研究組與美國加州大學洛杉磯分校、中國科學院化學研究所等機構合作，研制出一種新型黑磷復合材料，充電9分鐘即可恢復電池約80%電量。這種材料使兼具快速充電、高電荷容量、長壽命優點的鋰離子電池成為可能。
電極材料是決定電池性能指標的關鍵因素之一。“能量通過鋰離子與電極材料的化學反應進出電池，因此電極材料對鋰離子的傳導能力是決定充電速度的關鍵；另一方面，單位質量或體積的電極材料容納鋰離子的多少也是一個重要因素。”論文第一作者金洪昌博士介紹，黑磷是白磷的同素異形體，特殊的層狀結構賦予它很強的離子傳導能力和高理論容量，是極具潛力的滿足快充要求的電極材料。
科研人員采用“界面工程”策略將黑磷和石墨通過磷碳共價鍵連接在一起，在穩定材料結構的同時提升瞭黑磷石墨復合材料內部對鋰離子的傳導能力。但電極材料在工作過程中會被電解液逐漸分解的化學物質所包裹，部分物質會阻礙鋰離子進入電極材料，就像玻璃表面的灰塵阻礙光線穿透。研究團隊用輕薄的聚合物凝膠做成防塵外衣“穿”在黑磷石墨復合材料表面，使鋰離子得以順利進入。
“我們采用常規的工藝路線和技術參數將黑磷復合材料做成電極片。測量結果表明，電極片充電9分鐘即可恢復約80%的電量，2000次循環後仍可保持90%的容量。”共同第一作者，中國科學院化學研究所的辛森研究員介紹說，“如果能夠實現這款材料的大規模生產，找到匹配的正極材料及其他輔助材料，並針對電芯結構、熱管理和析鋰防護等進行優化設計，將有望獲得能量密度達350瓦時/千克並具備快充能力的鋰離子電池。”據測算，具備能量密度350瓦時/千克的鋰離子電池能夠使電動汽車的行駛裡程接近1000千米，將使電動汽車的用戶體驗上升一個臺階。
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2022年
60%充電量隻需6分鐘
近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊與姚宏斌、倪勇教授團隊合作，致力於解決鋰離子電池高能量密度與快充性能之間的矛盾，提出並制備出一種新型雙梯度石墨負極材料，實現瞭鋰離子電池在6分鐘內充電60%。
高能量密度
與快充性能是一對矛盾
當前，鋰離子電池驅動的電動汽車因其節能、環保受到人們青睞。然而，電動汽車的充電時間遠長於傳統燃油汽車的加油時間，大大降低瞭使用體驗感。“這主要是因為鋰離子電池中石墨負極較差的倍率性能，限制瞭電動汽車的快速充電能力。”論文共同第一作者、中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國傢研究中心特任副研究員盧磊磊解釋。
能量密度、功率密度是評價電池系統的兩個重要參數。能量密度決定著單位質量/體積下可以儲存的能量大小，而功率密度則決定著電池充放的倍率。理想狀態下，這兩項參數越高，鋰離子電池性能越好。然而，高能量密度與快充性能是一對矛盾，是一個“此起彼伏”的過程。
“高能量密度通常意味著電池單體活性物質載量比較高，電極比較厚，從而具有較長的鋰離子傳輸路徑，限制充放電倍率。”因此，為提高石墨負極的倍率性能，傳統的策略通常是將石墨電極做到多孔或變薄。 “但是，這些方法往往就會犧牲所制備電池的能量密度。”盧磊磊坦言。那麼，有沒有一種解決方案，能夠實現高能量密度與快充性能“魚與熊掌”的兼得？俞書宏團隊決定從設計電極結構入手，在保證能量密度的情況下提升鋰離子電池的快充性能。
給石墨顆粒“排隊”加快充電速度
研究團隊首先構建瞭一種新型粒子級理論模型，用於同時優化電極結構中粒度分佈和電極孔隙率分佈兩個參數，提高石墨負極的快充性能。盧磊磊介紹，傳統的二維模型通常簡化顆粒為均質球形以及孔隙均勻分佈。事實上，石墨顆粒多是大小不一、形狀不同，通常以相當隨機的順序排列。同時孔的形狀和大小也非均勻分佈。而新型粒子級理論模型是基於真實的石墨顆粒構建出的三維模型，與現實的電極結構很接近。
在粒子級理論模型中，研究人員按照石墨顆粒大小的順序重新“排隊”，同時調整電極孔隙率大小分佈。具體表現為，越接近電池頂部的石墨顆粒更小，孔隙率更高，越接近底部顆粒更大，孔隙率更低。“我們將這種結構稱之為雙梯度電極。”盧磊磊說，模擬計算結果表明，在大電流密度充電條件下，這種新結構相對於傳統的隨機均質電極以及單梯度電極，展現出瞭優異的快充性能。
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理想的結構模型已找到
下面就是如何在電極中實現
傳統的電極制備方法中，由於漿料黏度很高，制備的石墨漿料穩定，不易發生沉降。因此制備出的電極，包括石墨顆粒大小和孔隙率大小通常都是均勻分佈。盧磊磊說，“就像速溶奶粉，取任何一部分都是均質的。”如何構築一種“異質”結構？研究團隊開發瞭一種低粘度無聚合物粘結劑漿料自組裝技術，混合銅包覆的石墨負極顆粒以及銅納米線於乙醇溶液中制成漿料，利用不同尺寸顆粒石墨在漿料中沉降速度差異性，成功構建出模擬計算優化的雙梯度結構，得到電極。
研究人員發現，基於這種新型雙梯度石墨負極材料制備出的鋰離子電池分別在5.6分鐘和11.4分鐘從零充電到60%和80%，同時保持高能量密度。那麼最後的問題來瞭：6分鐘快充技術離產業化有多遠？完成100%充電需要多長時間？“其實，這是一個誤區。通常評價電池快充性能都是考量充電到60%或者80%容量時間。”
盧磊磊說，比如電動汽車制造商通常建議將車輛充電至80%，以保持電池壽命。談到這項研究的最大亮點，盧磊磊認為，“就是完成瞭一個假設、理論模型建立到實驗再驗證的過程，為克服鋰離子電池的高能量密度和快充性能之間的矛盾提供瞭新的思路。”對此盧磊磊坦言，“距離產業化還有一定距離。”，比如目前實驗室的制備方法很難實現大規模生產，雙梯度結構的設計很難保持電極的一致性。“目前，團隊正逐步解決這些問題。希望有朝一日這種更高效的電池可以為電動汽車提供動力。”
快速充電還在路上
安全生產卻不是夢想~
實際上，無論是手機電池，還是其他電子設備用到的電池：除瞭壽命，續航以及充電速度等因素，最重要的，還是要更加安全，才能保障使用者的安全，而這個因素在生產電池的時候就已經開始產生作用瞭—
比如針對電池的完全烘烤：
真空隧道幹燥系統
真空隧道幹燥系統一般用於圓柱鋰離子電池的批量烘烤生產，全自動運行。采用國際先進的真空隧道烘烤工藝，保證電池烘烤的一致性，兼顧清潔生產與設備易檢點維護；以及能夠完全繼承整套生產設備的手套箱：
鋰電池手套箱是一個全密閉的腔體，把腔體內外的環境完全隔絕開，腔體的一面安裝有視窗 和手套，操作人員通過手套對腔體內的物料進行操作：在操作前，對整個箱體抽真空，把箱體內空氣完全抽掉，降低水氧含量至0.1ppm以下，然後填充惰性氣體氣體進行生產。
如果有一天真的實現瞭快速充電，無疑是一項裡程碑似的成就，但無論是手機電池還是電動車電池；安全使用，正確使用都是很重要的，不僅能延長使用壽命，還可以保證自己的安全~
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