您现在的位置是:首页 >人工智能 > 2021-10-11 14:53:40 来源:

为什么快速充电会降低汽车电池的容量

当锂离子被迫快速通过电池时,它们可能会卡住并变成锂金属,无法再通过电池。想象一下,您可以在停下来吃快餐的同时给电动汽车加油,或者在刷牙的同时给手机充电。

“快速充电是一种圣杯。这是每个拥有锂离子电池设备的人都希望能够做到的,”奥斯陆大学材料科学与纳米技术中心的高级工程师 David Wragg 说。

然而,在电池内部,有很多复杂的化学物质对充电速度很敏感。事情可能会出错。

“容量损失是最关键的,”Wragg 对 Titan.uio.no 说。

“有可能制造出容量非常大的电池,让你的电动汽车行驶 1000 公里,但在你给它充电和放电几次之后,你会失去大约一半的容量和续航里程。

所有可充电电池都会随着时间的推移而退化,但是当电池进行快速充电时,这种负面影响会格外强烈。Wragg 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转化为纯锂金属,不再有用。最重要的是:快速充电大大增强了这种效果。

电池就像摇椅

电池的一侧是阳极,另一侧是阴极。这两个电极都可以存储电子和离子。它们之间是隔板和液体电解质,帮助离子从一侧转移到另一侧。

当您使用存储在那里的电流时,离子和电子会从电池的一侧移动到另一侧,并在充电时再次返回。

“他们称之为摇椅机制,你可以将铁杆和电子从一侧摇到另一侧。”

“当它们新鲜且运行良好时,电池可以存储一定数量的离子,这就是系统的总容量,”Wragg 说。

当过去来回移动的离子变成金属时,它们不再能够穿过电池。离子带电,可以来回吸引。金属原子是中性的,在任何一个方向都不会受到诱惑。

“一旦锂变成金属,就不能再进行电化学反应了。这种容量完全丧失了,”Wragg 说。

当您为锂离子电池充电足够次数时,所有可充电锂离子电池都会发生这种情况。但是为什么当你快速充电时它会变得更糟?

快速充电过程中的瓶颈

在快速充电期间,相同数量的离子通过系统,但速度要快得多。所有离子必须在更短的时间内在阳极中找到它们的位置。

“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,”Wragg 说。

如果以四六倍的速度充电,自然就更难了。

“这很困难,因为当你尝试将锂离子非常快地放入固体电极材料时,化学反应存在某些限制,”Wragg 说。

在充电过程中接收离子的阳极由石墨制成,石墨由薄碳层形成。阳极由几百万这样的层组成。

“空石墨就像一副纸牌,锂离子就像被推入纸牌之间的空间的小球。问题是当你试图在石墨层之间推动锂离子时,你可能会遇到瓶颈。

“你不断推入离子,但除非已经在层之间的离子可以推入更深的堆栈,否则新离子没有空间进入。当你给电池充电非常快时,锂不会扩散到整个根本就没有石墨电极。它只是卡在电解液附近,阳极和阴极是分开的。”

尤其是在这里,在这些瓶颈中,带电离子变成中性原子并积聚在微小的金属块中。在施加能量的同时,离子不会进一步移动。这种多余的能量可能是将离子变成中性和稳定原子的原因。

“这被称为锂电镀。也就是说,当锂离子不再以离子形式存在时,它变成了锂金属。这已经为人所知很久了,但之前在工作电池中并没有真正观察到它,”Wragg说。

然而,Wragg 和他的同事们设法做到了这一点。他们使用 X 射线,每 25 毫秒一次又一次地扫描电池,同时以不同的速率快速充电。这为他们提供了大量关于原子级别正在发生的事情的数据。

“我们实际上可以看到锂镀层的建立。在快速充电期间,我们可以看到锂的数量增加得非常快。我们的理论是这与锂离子的这个瓶颈有关。我们看到很多锂离子接近隔板,这也是我们看到锂电镀的地方,”Wragg 说。

“最有可能的情况是,这些锂离子积累起来,它们就无法再接触到石墨。它们被困在那里,有很多热量,大量能量被投入其中,因此它们会减少到锂金属。”

他们看到最靠近另一个电极的石墨层富含锂,而在更深的地方几乎没有锂。他们充电的速度越快,情况就越糟。

“你推动它的速度越快,电镀发生的速度就越快,”Wragg 说。

未来:纳米管和石墨烯?

这项研究绝不是快速充电的结束。这只是意味着研究人员必须找到新的更好的解决方案。

“对于制造电池的人来说,关键是要尝试找出改善锂传输的方法,这样当你快速充电时,锂就有更多机会真正穿过整个石墨阳极, “拉格说。

世界各地的研究人员正在寻找新的材料和方法,使电池能够更好地承受快速充电。

“例如,有很多人使用碳纳米管。如果你拿一张卡片并将其卷成管状,就会得到碳纳米管。它就像石墨被制成管状,而不是有点扁平。 ”

奥斯陆大学的 Wragg 及其同事正在研究阳极中的石墨烯,即单片石墨。

“石墨已经为人所知数百年。石墨烯和碳纳米管已经为人所知大约 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用电池中。

“但毫无疑问,它会发生,”Wragg 说。