当锂离子被强制快速通过电池时，它们可能会被卡住，变成金属锂，不再能够在电池中移动。想象一下，能够在停下来吃快餐的时候给你的电动车加油，或者在刷牙的时候给你的手机加油。

奥斯陆大学材料科学和纳米技术中心的高级工程师DavidWragg说："快速充电是一种圣杯。这是每个拥有基于锂离子电池的设备的人希望能够做到的。然而，在电池内部，有许多复杂的化学成分，可能对充电的速度很敏感。事情可能会出错。”

容量损失是最关键的问题。

未来有可能制造出容量非常大的电池，可能让你的电动汽车行驶1000公里，但在你充电和放电几次后，你将失去大约一半的容量和范围。所有的可充电电池都会随着时间的推移而退化，但当电池受到快速充电时，这种负面效应会格外强烈。莱格是一项研究背后的研究人员之一，该研究表明了原因。他们已经能够看到，对电池容量非常重要的锂离子被转化为纯金属锂，不再有用了。而最重要的是：这种效果在快速充电时得到了极大的加强。

电池就像一把摇椅

在电池的一侧是阳极，另一侧是阴极。这两个电极都可以储存电子和离子。在它们之间是一个分离器和液体电解质，帮助离子从一边到另一边。当你使用储存在那里的电流时，离子和电子从电池的一侧移动到另一侧，而当你充电时又返回。他们把这称为摇椅机制，你把铁子和电子从一边摇到另一边。当它们是新鲜的，而且工作得很完美时，电池可以储存一定数量的离子，这就是系统的总容量。当过去来回移动的离子变成金属时，它们不再能够在电池中移动。离子是带电的，可以被引诱着来回移动。金属原子是中性的，不能被引诱到任何一个方向。"一旦锂变成了金属，它就不能再真正进入电化学反应。这种能力完全丧失。"Wragg说。这发生在所有可充电的锂离子电池中，当你给它们充电足够多的次数。但为什么当你快速充电时，情况会变得更糟？

快速充电期间的瓶颈

在快速充电期间，同样数量的离子在系统中移动，但速度要快得多。所有离子必须在更短的时间内找到它们在阳极的位置。莱格说："当你以双倍速度充电时，你必须在一半的时间内移动相同数量的离子和电子。如果你以四倍或六倍的速度充电，自然会更加困难。这很难，因为当你试图将锂离子快速放入固体电极材料时，化学反应有一定的限制。"

在充电过程中接收离子的阳极是由石墨制成的，而石墨是由碳的薄层形成的。阳极由几百万个这样的层组成。空的石墨就像一副牌，而锂离子就像小球被推入牌之间的空间。问题是，当你试图将锂离子推到石墨层之间时，你会遇到瓶颈。你不断地将离子推入，但除非已经在层间的离子能够推入更深的堆栈，否则就没有空间让新的离子进入了。当你给电池快速充电时，锂根本不会扩散到整个石墨电极上。它只是被卡在靠近电解质的地方，也就是阳极和阴极分离的地方。

特别是在这里，在这些瓶颈处，带电离子变成了中性原子，并积聚在小小的金属块中。离子不会进一步移动，在施加能量的同时。这种过剩的能量可能是将离子变为中性和稳定原子的原因。这被称为镀锂。这就是当锂离子，而不是停留在离子形式，变成了金属锂。这已经知道了相当长的时间，但以前没有在工作的电池中真正观察到它然而，这一点，Wragg和他的同事已经成功做到了。使用X射线，他们每25毫秒扫描一次电池，在以不同的速度快速充电时，一次又一次地扫描。这给了他们关于正在发生的事情的大量数据，直到原子水平。

"我们实际上可以看到锂电镀层的建立。在快速充电过程中，我们可以看到锂的数量增长非常快。我们的理论是，这与锂离子的这个瓶颈有关系。我们看到大量的锂离子靠近分离器，这也是我们看到镀锂的地方。"Wragg说。

最可能的事情是你得到这些锂离子的积累，它们只是不能再进入到石墨中。它们被卡在那里，有大量的热量，大量的能量被投入到它们身上，因此它们被还原成金属锂。他们看到，最靠近另一个电极的石墨层含有非常丰富的锂，而在更深的地方，几乎没有锂。他们充电越快，情况就越糟糕。你推动它的速度越快，电镀就越快。

未来：纳米管和石墨烯？

这项研究决不是快速充电的终点。它只是意味着研究人员必须找到新的和更好的解决方案。赖格说："这对制造电池的人来说，关键是要设法改善锂的运输，以便当你快速充电时，有更多的机会让锂真正通过石墨阳极的整体。"

世界各地的研究人员正在寻找能够使电池更好地承受快速充电的新材料和方法。例如，有很多人使用碳纳米管。碳纳米管是你得到的东西，如果你拿一张卡片并把它卷成一个管子。它就像一个被形成管子的石墨，而不是有点扁平。拉格和奥斯陆大学的同事们在阳极中使用石墨烯，即石墨的单片。石墨已经有几百年的历史了。石墨烯和碳纳米管已经知道了大约30年，所以这需要时间。到目前为止，这些创新都没有出现在商业电池中。

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