爱游戏平台游戏:新电解质让工业电池13分钟充电80%未来电动车充电或像油车加油般快速

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  对于新能源电动车车主来说，最理想的充电体验莫过于能让燃油车加油一样，在几分钟内完成能量补给。在美国马里兰大学教授王春生团队的努力下，这一愿望并不远矣。

  在近期一篇 Science 论文中，他们发现了一个困扰所有电池的“口渴”难题，为此发明了一种新型电解质，让电池在一刻钟内就能充入八成电量。

  具体来说，他们制作了符合工业标准的商用软包电池。这种电池使用了厚实的电极，本身就是为高能量和长续航而设计，但也因此在传统上被认为是快充困难户。然而，当注入这种电解质的时候，在12.8 分钟内电池充到了 80% 的电量，在 14.7 分钟内电池充到了 90% 的电量。这远超于了美国能源部制定的 15 分钟内充至 80% 的快充目标。

  未来当你在服务区休息时，也许只需要喝一杯咖啡的时间，就能获得数百公里的续航能力。而且这种新型电解质能在电极表明产生一层稳定、坚固的保护膜，故能增加电池的寿命。扫描电镜的图片也显示，电池里面并未产生会导致电池短路的锂枝晶，故其也拥有较高的安全系数。

  锂离子电池，是我们常用的手机、平板电脑和电动汽车的能量核心。锂电池就是一个巨大的、结构精妙的离子游乐场。它主要有两个区域：正极和负极，中间由一层叫做隔膜的栅栏分开。而填充整个离子游乐场的，是一种名为电解质的液体，它就像是离子们的游乐场。

  当我们给电池充电时，成千上万个带有正电的锂离子会从正极出发，游过电解质这片泳池，钻进负极的“微观小酒店”里住下来，通过这一过程便能给电池充满电。当我们开动新能源电动车时，这些锂离子又会退房，并游回电解质这片泳池，同时会释放电能。

  一直以来，人们都希望离子能够游得更快，这样充电就能更快。过去，人们主要觉得离子要走的路过于坎坷。具体来说，电池的电极就像一块充满了小孔的海绵，因此路线弯弯绕绕，当离子在里面游来游去的时候就会非常耗时。所以传统方法是把这块海绵做得薄一点、孔大一点、路直一点，这确实能让离子游得更快、充电也更快。

  但是，一个新麻烦也会随之出现：薄海绵能够装下的离子住户也因此减少，这在某种程度上预示着电池的总电量也就是能量密度也下降了。

  为了找出一个两全其美的方法，该团队通过研究之后发现除了离子的路不好走以外，还有一个一直被人们忽略的“隐形小偷”在作怪，这个小偷的名字叫做电渗拖曳。

  事实上，每个锂离子都是“穿着衣服”游泳的。在电解质这片泳池里，它们会穿上一件由溶剂分子做成的外套。当对电池进行快充时，锂离子就会从正极快速游出来，在带有所有离子的同时，还会顺带拖走三四件外套。

  在一个设计紧凑的电池里，溶剂的总量要比锂离子的总数少得多。如果每个离子都拖走3-4 件外套，那么电池里所有的溶剂，最多只够给八分之一的离子提供外套。

  事实上，前述估算已经相当保守；如果进一步只考虑电极孔道内部的那部分溶剂，其相对于锂离子的匮乏将更突出，溶剂供给不足的问题会变得更严峻。这就会导致当对电池进行快充时，锂离子一窝蜂地从正极电极的小孔里涌出来，每个锂离子都拖着几件外套跑掉。

  这时，电极内部的溶液会被快速抽干，而外面的溶液又来不及补充进来，很快电极表面就会变得干旱。若发生干旱，当后续的锂离子想游出来，却发现身边没有溶液了，就像搁浅在沙滩上的鱼一样动弹不得。

  而电池电压也会异常升高，充电速度被迫急剧下降甚至停止。这种因为干旱而产生的阻力便叫电渗拖曳过电位，它在厚电极里尤其猖獗，因为电极越厚，干旱区域中心的溶液就越难从外部得到补充，这也解释了为什么单位体积内的包含的能量高的厚电池电极很难实现快充。

  为此，该团队使用中子成像这一技术来抓拍电渗拖曳这个“小偷”。由于中子对于溶液中的氢原子非常敏感，为此他们设计了一个实验，让电池里仅有溶剂含有能被中子看见的氢原子。结果他们清晰地看到厚电极内部的氢信号急剧减弱，直接观察到电池快充时的内部干旱现象。

  既然找到了罪魁祸首，下一步就是制定消灭方案。该团队认为：如果无法改变电极结构，能否从溶液本身下手？也就是让锂离子少穿点外套出门，同时想办法让一些外套自己“走回来”。

  为此，他们设计了一种双氟化电解质，这种电解质能够巧妙调节离子和溶剂之间的关系。

  一方面，这可以减弱阳离子溶剂化，研究人员在溶剂分子上引入了两个氟原子，氟原子会努力吸走溶剂分子上的电子云，进而让溶剂分子对于锂离子的吸引力变弱。结果就是，锂离子的外套变少了，这样一来它们每次出走所带走的溶剂自然也会变少。

  另一方面，这能加强阴离子的溶剂化。这是因为在被双氟化的那个基团上还带着氢原子。由于电子被氟抢走，这些氢原子的正电性会变得很强，因此非常渴望找到朋友。这时，它们会与带负电的阴离子上的氮、氧、氟原子形成氢键，这在某种程度上预示着阴离子也开始穿上外套了。

  随后，在正极之中，锂离子开始往外迁移，拖出去溶液随之变少。同时，阴离子向相反方向迁移。由于阴离子现在也穿着外套，因此它们的运动会产生反向流动并将溶液往回带。就这样一减一加实现了完美平衡，电极内部的水位得以继续维持，再也不会变得干旱。

  而电渗拖曳过电位则会被大幅削弱。这个设计就像给电池里面的游泳池安装了一个智能循环系统，能确保水流畅通且永不干涸。通过核磁共振等仪器，该团队验证了氢键的存在，证实了这一设计的成功。

  总的来说，本次团队突破了传统认知，发现并揭示了在厚电极电池快充过程中电解液的溶剂并非静止，而是会因离子迁移产生流动并导致局部耗尽。

  此次新发现的电渗拖拽现象，是阻碍高能量密度电池实现快充的关键瓶颈。基于这一规律，他们通过新的电解质设计，成功协调了离子与溶剂的运动，最终使厚电极、高能量密度电池在短时间内快充成为现实。

  事实上，电渗拖拽导致极化的现象，在氢氧燃料电池领域其实是已有明确认知的。但是，在锂电池的研究中，这个现象和机制长期以来却被大家忽视了。本次工作正是将这一被忽视的老问题从燃料电池领域引入并证实于锂电池领域，发现了它的普遍存在与关键影响。

  同样重要的是，这个关于电渗拖曳的成果，不仅适用于锂电池，还有望帮助改进超级电容器、电化学精炼等其他能源技术。

  未来，该团队计划推动电解液设计向“六边形战士”演进。当前工作主要聚焦于解决快充难题，但一个理想的电池需要兼顾多重性能：包括高安全性、高能量密度、长循环寿命、优良的低温性能等。

  未来的电解液设计绝不能是“偏科生”，而必须是全能型的“六边形战士”。因此，他们计划通过开发新型功能添加剂或优化溶剂组合，在保证卓越快充能力的同时，进一步实现更长的循环寿命、更宽的工作时候的温度范围以及更好的存储稳定性，最终推动下一代高性能电池的全面发展。