现在，研究人员开发出了一种新型双梯度石墨负极材料制备出的锂离子电池，实现了6分钟从零充电到60%的电动车快充，同时保持高能量密度。
近年来，随着对可再生能源利用的巨大需求，和对环境污染问题的日益关注，以锂电池为代表的二次电池——这种能够将其他形式能量转换成的电能，并预先以化学能的形式存储下来的储能技术，持续革新着能源系统。
现阶段，锂离子电池已经成为电动汽车最重要的动力源，其发展经历了三代技术的发展，其中，钴酸锂正极为第一代，锰酸锂和磷酸铁锂为第二代，三元技术则为第三代。不过，锂电池的续航能力、电池循环使用寿命有限等问题，也常常被人们所诟病。
其中，快充对于电动汽车似乎是必须的，但同时，大电流迫使锂离子在电池内部快速迁移，容易出现锂析出，长期下去电池容量会快速衰减，最坏的情况则是锂析出后堆积形成锂枝晶，刺穿隔膜，导致电池发生内短路，最终发生热失控，进而起火。
为缩短电动汽车充电时间，科学家们一直在积极寻找新方案。近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队与姚宏斌、倪勇教授团队合作，致力于解决锂离子电池高能量密度与快充性能之间的矛盾，提出并制备出一种新型双梯度石墨负极材料，实现了锂离子电池在6分钟内充电 60%。
具体来看，研究团队首先构建了一种新型粒子级理论模型，用于同时优化电极结构中粒度分布和电极孔隙率分布两个参数，提高石墨负极的快充性能。
研究人员表示，传统的二维模型通常简化颗粒为均质球形以及孔隙均匀分布。事实上，石墨颗粒多是大小不一、形状不同，通常以相当随机的顺序排列。同时孔的形状和大小也非均匀分布。而新型粒子级理论模型是基于真实的石墨颗粒构建出的三维模型，与现实的电极结构很接近。
在粒子级理论模型中，研究人员按照石墨颗粒大小的顺序重新“排队”，同时调整电极孔隙率大小分布。模拟计算结果表明，在大电流密度充电条件下，这种新结构相对于传统的随机均质电极以及单梯度电极，展现出了优异的快充性能。
为了在电极中实现，研究团队开发了一种低粘度无聚合物粘结剂浆料自组装技术，混合铜包覆的石墨负极颗粒以及铜纳米线于乙醇溶液中制成浆料，利用不同尺寸颗粒石墨在浆料中沉降速度差异性，成功构建出模拟计算优化的双梯度结构，得到电极。
研究人员发现，基于这种新型双梯度石墨负极材料制备出的锂离子电池分别在5.6分钟和11.4分钟从零充电到60%和80%，同时保持高能量密度。
这种电极结构设计给解决快充提供了新思路，在未来的能源系统中发挥核心作用的，或许正是如今这些具有意义和分量的突破性的电池技术。
文章来源：第一财经
