陳根：新材料突破電動車的快充，六分鐘充電60%_風聞

文/陳根

近年來，隨着對可再生能源利用的巨大需求，和對環境污染問題的日益關注，**以鋰電池為代表的二次電池——這種能夠將其他形式能量轉換成的電能，並預先以化學能的形式存儲下來的儲能技術，**持續革新着能源系統。

現階段，鋰離子電池已經成為電動汽車最重要的動力源，其發展經歷了三代技術的發展，其中，鈷酸鋰正極為第一代，錳酸鋰和磷酸鐵鋰為第二代，三元技術則為第三代。不過，鋰電池的續航能力、電池循環使用壽命有限等問題，也常常被人們所詬病。

其中，快充對於電動汽車似乎是必須的，但同時，大電流迫使鋰離子在電池內部快速遷移，容易出現鋰析出，長期下去電池容量會快速衰減，最壞的情況則是鋰析出後堆積形成鋰枝晶，刺穿隔膜，導致電池發生內短路，最終發生熱失控，進而起火。

為縮短電動汽車充電時間，科學家們一直在積極尋找新方案。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，提出並製備出一種新型雙梯度石墨負極材料，實現了鋰離子電池在6分鐘內充電 60%。

具體來看，研究團隊首先構建了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。

研究人員表示，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。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，展現出了優異的快充性能。

**為了在電極中實現，****研究團隊開發了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製成漿料，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製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。

這種電極結構設計給解決快充提供了新思路，在未來的能源系統中發揮核心作用的，或許正是如今這些具有意義和分量的突破性的電池技術。