15分鐘充電還有多遠 科學家揭示電池材料突破快充的機遇與挑戰

根據美國先進電池聯盟的定義，極速充電的目標是15分鐘充電到80%容量，它將加速電動汽車的普及、抑制溫室氣體排放，進而加強各國的能源安全。然而，實現這一目標需要跨越多個障礙。6月3日，美國斯坦福大學教授崔屹團隊在《自然—能源》上撰文，分析了當前電池材料對極速充電的主要限制，以及快速充電條件下電池材料面臨的挑戰和未來研究方向。

“實現電池極速充電可以大大促進電動汽車的普及，然而當前的鋰離子動力電池還無法在不影響循環性能的前提下實現極速充電的目標，因此電池技術是極速充電的一個關鍵技術瓶頸。”崔屹告訴《中國科學報》，“這篇綜述從電池技術的層面（離子和電子的傳輸、電池組的熱管理等）總結了實現快速充電的挑戰和可能的研究方向。”

與內燃機車相比，電動和插電式的混合動力汽車有限的行駛里程和較長的充電時間，引發了人們的“里程焦慮”，同時也影響了潛在新車主對電動汽車的購買意愿。

目前的電動汽車主要在住宅和工作場所充電，充電時間約為數十小時。即便是特斯拉汽車超級充電站，能提供的最快充電率為120千瓦，將200英里的充電時間縮短到大約30分鐘，這一最先進的充電能力仍遠遠不能為消費者提供與傳統汽車加油相同的體驗。

因此，美國能源部已將極速充電確定為一項關鍵挑戰，以推動電動汽車和插電式混合動力汽車的大規模使用，遏制溫室氣體排放和確保能源安全。

在文中，崔屹與博士生劉亞媛和朱洋瑩表示，電解質傳質性能在確定電池的充電速度方面起決定性作用。而改善電解質離子電導率、改善電解質鋰離子轉移數t+、減少離子傳輸路徑的曲折度和電池輕量化設計，能有助于應對電解質傳質的挑戰。

就電極電荷轉移而言，石墨表面鍍鋰是快速充電產生的主要問題。因此，應注意低電阻SEI、加速鋰離子去溶劑化和增加活性位密度。

此外，研究人員還介紹了先進的表征技術，可以幫助從根源上了解快速充電過程中電池的故障機制，從而為更合理的電池設計提供信息。

崔屹提到，除了電池本身的技術要求，實現快充還需要一系列的配套設備并綜合考量各個方面的因素，比如電網的負荷能力、交流電轉換直流電的充電控制系統、電池安全和充電成本等。

對于未來研究方向，研究人員強調了利用冷凍電鏡從納米/原子尺度觀察SEI的結構及成分、鋰枝晶的生長等，并把這些信息和充電速率、電解液等因素結合，從而更好地設計快充電池。

“我們也很重視電池在快充過程中的安全性，希望在電池中引入可以原位檢測電池健康程度的機制，以更好地保證電池安全。此外，研究新型的、更適合快充的正負極材料也至關重要。”崔屹表示，長遠來看，新型的電池結構，如3D電池，可以促進鋰離子和電子在電池內的運輸，從而實現快速充電。“但是新型電池結構的實現還需要研究。”他說。