1.1 快速充電模型與技術(shù)

快速充電也是目前電池技術(shù)的難題。電池?fù)p耗的重要原因是在充放電過程中，正負(fù)電極在吸收和釋放電解質(zhì)里離子時(shí)自身的膨脹和收縮。在充放電過程中，電極納米粒子會(huì)相對(duì)統(tǒng)一地吸收和釋放離子。但是如果只有少部分粒子吸收了所有離子，電極就會(huì)加速損壞，縮短電池壽命。學(xué)者們利用不同的電流對(duì)電池組進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)的充電，然后迅速將它們分離并阻止充/放電過程，然后將電極切成薄片，并利用同步加速X射線檢測(cè)。科學(xué)家對(duì)鋰電池電極里微小粒子行為的研究表明，對(duì)電池快速充電，然后用于高功率快速耗電的工作，對(duì)電池的損傷沒有人們預(yù)想的差，而緩慢充電和耗電所帶來的益處可能也被過度夸大，快速充電電池電極里微小粒子模型如圖1-4所示。這項(xiàng)結(jié)果挑戰(zhàn)了有關(guān)快速充電比緩慢充電對(duì)電極要求更高的觀點(diǎn)。科學(xué)家可能改變電池電極或改變充電方式，以改進(jìn)統(tǒng)一的充/放電過程，從而延長(zhǎng)電池壽命。在充/放電過程中電極變化細(xì)節(jié)只是確定電池壽命的眾多因素之一，但這一因素在這項(xiàng)研究之前尚未被完全理解。科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了電池老化的新證據(jù)，可優(yōu)化商業(yè)鋰電池氧化物和石墨電極。他們研究了上千個(gè)電極納米粒子，在不同條件下對(duì)充放電過程進(jìn)行詳細(xì)分析，獲得充放電過程中動(dòng)態(tài)表征，在保證較長(zhǎng)電池壽命的前提下，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化電極可實(shí)現(xiàn)更快的充放電速率。科學(xué)家正與工業(yè)界密切合作，探尋如何在電動(dòng)車輛領(lǐng)域應(yīng)用快速充電。

圖1-4 快速充電過程電池動(dòng)態(tài)模型

科學(xué)家研制了納米多孔電池，只需12min可完全充滿，較目前長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的充電周期大幅縮短。這種電池內(nèi)部縱向排列了數(shù)以百萬計(jì)的納米孔，每一個(gè)納米孔均內(nèi)含固態(tài)電解質(zhì)，兩端作為陰陽極，也就是說，每一個(gè)納米孔都是一個(gè)微型電池，它們組成納米陣列進(jìn)行充放電。研究人員將能量存儲(chǔ)材料覆蓋在納米孔的兩端，然后加入電解質(zhì)，使每個(gè)獨(dú)立納米孔都成為一個(gè)電池。其最大優(yōu)勢(shì)在于能夠快速充電，并且儲(chǔ)存能量將提升10倍，在快充狀態(tài)下能循環(huán)7000次。該電池相比傳統(tǒng)電池，不僅容量大，而且充電速度大幅加快，循環(huán)壽命長(zhǎng)，這將給電動(dòng)車輛帶來重大創(chuàng)新。