華人科學(xué)家找到了解決電動(dòng)汽車鋰電池衰減的方法
使用電動(dòng)汽車的人都有過這樣的經(jīng)驗(yàn)，在行駛過程中電動(dòng)汽車的電量不足時(shí)，必須得找充電站充電，而在充電站充電只能是快充。
無(wú)論是電動(dòng)汽車還是電子產(chǎn)品，經(jīng)常使用快充都會(huì)傷電池，導(dǎo)致電池容量下降，壽命變短，不僅如此，還有可能會(huì)導(dǎo)致電池不穩(wěn)定。
可以簡(jiǎn)單理解一下，為什么快充會(huì)傷電池。
以鋰離子電池為例，我們都知道，電池的工作原理是充放電發(fā)生的時(shí)候，鋰離子在電池的正極和負(fù)極間不斷地來(lái)回跑動(dòng)，電子沿著導(dǎo)線在外部跟著來(lái)回移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能互相轉(zhuǎn)變的過程。
電池容量下降意味著電池內(nèi)部鋰離子跑動(dòng)的數(shù)量減少了，那是因?yàn)殇囯x子變成了鋰金屬，稱為鋰電鍍，純金屬的鋰不能再跑了，無(wú)法再進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)自然就減少了電池的容量。
隨著電池充電次數(shù)的增加，都會(huì)發(fā)生這種情況，而快充則大大增加了鋰離子變成鋰金屬的速度，不僅如此，金屬沉積物的形成還會(huì)不規(guī)則不平滑，而這會(huì)影響電池的穩(wěn)定性。
打個(gè)比方，人們排著隊(duì)緩慢而有秩序地上火車時(shí)，在火車發(fā)車前，所有人都能順利地找到自己的位置坐下。而當(dāng)人們因?yàn)楹ε洛e(cuò)過發(fā)車時(shí)間而著急的快速涌進(jìn)車門時(shí)，這時(shí)候會(huì)有一部分人能費(fèi)勁的找到自己的位置，另一部分人則在沖撞的過程中被沖離了車門，甚至還有可能受傷，錯(cuò)過發(fā)車時(shí)間，導(dǎo)致車上人變少。另外，因?yàn)闆]有擠到位置而坐到了車頂?shù)娜丝赡軙?huì)令火車產(chǎn)生安全隱患，想象一下印度的火車。
快充的過程是一樣的道理，當(dāng)雙倍甚至四六倍充電時(shí)，所有的鋰離子在電場(chǎng)的作用下必須以很快的速度涌向負(fù)極并試圖在負(fù)極如石墨中找到自己的位置，就像人群在推擠的過程中會(huì)偏離方向一樣，部分鋰離子也會(huì)在這個(gè)涌流中被堵在了負(fù)極的外面，與電子錯(cuò)誤的結(jié)合變成了金屬鋰，不再發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。這種金屬鋰的不規(guī)則形成可能會(huì)造成電池不穩(wěn)定，從而發(fā)生危險(xiǎn)。
這個(gè)過程已經(jīng)被了解很長(zhǎng)時(shí)間了，科學(xué)家利用X射線也確實(shí)觀察到了快充時(shí)鋰從離子變成原子的過程，并且是充電速度越快，形成的鋰金屬就越快越多。
快充可以節(jié)省時(shí)間，但是傷電池也著實(shí)令人頭痛。因此，解決的問題就是改善鋰離子的傳輸方法，使得鋰離子在快速涌向負(fù)極的時(shí)候能迅速找到自己的位置，有更多的鋰能滲透入負(fù)極材料。
世界各地的科學(xué)家都在努力的尋找方法來(lái)解決這個(gè)問題，如改善負(fù)極材料，使得它們能更容易的容納鋰離子等。
最近，華盛頓大學(xué)的一個(gè)華人科研團(tuán)隊(duì)（兩個(gè)人）認(rèn)為快充過程中電池壽命下降，電池不穩(wěn)定最核心的問題是離子移動(dòng)不均勻造成的。金屬離子在正負(fù)極間移動(dòng)時(shí)會(huì)不斷地穿過電池內(nèi)部的隔膜，因此，隔膜是決定離子是否均勻移動(dòng)的關(guān)鍵。
就類似于人們?cè)诘竭_(dá)火車車門前所走過的導(dǎo)流護(hù)欄，護(hù)欄做得越好，人們?cè)讲蝗菀讚頂D。
他們?cè)陔婄R下拍到了金屬離子穿透隔膜時(shí)的一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，發(fā)現(xiàn)離子在快充過程中不均勻的移動(dòng)取決于隔膜的孔徑。
電池隔膜是多孔的，以便容納液體電解質(zhì)以供金屬離子移動(dòng)，但有些隔膜的孔隙比其他隔膜大。如果孔徑很小，意味著當(dāng)金屬離子向隔膜移動(dòng)時(shí)，可以穿透的地方就會(huì)減少，導(dǎo)致大部分電流不是均勻分布，而是最終流到一些自然選擇的位置，這可能導(dǎo)致電池短路。
兩個(gè)合作的華人科學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)名為 Young-Laplace 過電位的數(shù)學(xué)模型，該模型捕捉了實(shí)際電池內(nèi)部的物理動(dòng)力學(xué)，并稱他們找到了理想的物理閾值，它取決于隔膜的微觀結(jié)構(gòu)。
他們認(rèn)為自己發(fā)現(xiàn)了完美的、穩(wěn)定的、安全的快充電池配方，目前這項(xiàng)研究工作發(fā)表到了學(xué)術(shù)頂刊《Advanced Energy Materials》上。