15分钟充电还有多远 科学家揭示电池材料突破快充的机遇与挑战

根据美国先进电池联盟的定义，极速充电的目标是15分钟充电到80%容量，它将加速电动汽车的普及、抑制温室气体排放，进而加强各国的能源安全。然而，实现这一目标需要跨越多个障碍。6月3日，美国斯坦福大学教授崔屹团队在《自然—能源》上撰文，分析了当前电池材料对极速充电的主要限制，以及快速充电条件下电池材料面临的挑战和未来研究方向。

“实现电池极速充电可以大大促进电动汽车的普及，然而当前的锂离子动力电池还无法在不影响循环性能的前提下实现极速充电的目标，因此电池技术是极速充电的一个关键技术瓶颈。”崔屹告诉《中国科学报》，“这篇综述从电池技术的层面（离子和电子的传输、电池组的热管理等）总结了实现快速充电的挑战和可能的研究方向。”

与内燃机车相比，电动和插电式的混合动力汽车有限的行驶里程和较长的充电时间，引发了人们的“里程焦虑”，同时也影响了潜在新车主对电动汽车的购买意愿。

目前的电动汽车主要在住宅和工作场所充电，充电时间约为数十小时。即便是特斯拉汽车超级充电站，能提供的最快充电率为120千瓦，将200英里的充电时间缩短到大约30分钟，这一最先进的充电能力仍远远不能为消费者提供与传统汽车加油相同的体验。

因此，美国能源部已将极速充电确定为一项关键挑战，以推动电动汽车和插电式混合动力汽车的大规模使用，遏制温室气体排放和确保能源安全。

在文中，崔屹与博士生刘亚媛和朱洋莹表示，电解质传质性能在确定电池的充电速度方面起决定性作用。而改善电解质离子电导率、改善电解质锂离子转移数t 、减少离子传输路径的曲折度和电池轻量化设计，能有助于应对电解质传质的挑战。

就电极电荷转移而言，石墨表面镀锂是快速充电产生的主要问题。因此，应注意低电阻SEI、加速锂离子去溶剂化和增加活性位密度。

此外，研究人员还介绍了先进的表征技术，可以帮助从根源上了解快速充电过程中电池的故障机制，从而为更合理的电池设计提供信息。

崔屹提到，除了电池本身的技术要求，实现快充还需要一系列的配套设备并综合考量各个方面的因素，比如电网的负荷能力、交流电转换直流电的充电控制系统、电池安全和充电成本等。

对于未来研究方向，研究人员强调了利用冷冻电镜从纳米/原子尺度观察SEI的结构及成分、锂枝晶的生长等，并把这些信息和充电速率、电解液等因素结合，从而更好地设计快充电池。

“我们也很重视电池在快充过程中的安全性，希望在电池中引入可以原位检测电池健康程度的机制，以更好地保证电池安全。此外，研究新型的、更适合快充的正负极材料也至关重要。”崔屹表示，长远来看，新型的电池结构，如3D电池，可以促进锂离子和电子在电池内的运输，从而实现快速充电。“但是新型电池结构的实现还需要研究。”他说。