当锂离子被强迫快速通过电池时，它们可能会被卡住，变成金属锂，不再能够通过电池。

想象一下，你可以在停下来吃快餐的时候给你的电动汽车加油，或者在刷牙的时候给手机充电。

“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和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，可以敏感到它充电的速度。事情可能会出错。

“容量损失是最关键的，”瑞格对泰坦说。

“制造高容量电池是有可能的，可以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里程。

所有可充电电池都会随着时间的推移而退化，但当电池处于快速充电状态时，这种负面影响尤为强烈。瑞格是一项研究的研究人员之一。

他们已经能够看到，对电池容量至关重要的锂离子，被转换成纯锂金属，不再有用。最重要的是:快速充电大大增强了这种效果。

电池就像一把摇椅

电池的一边是阳极，另一边是阴极。这两种电极都能储存电子和离子。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。

当你使用储存在电池中的电流时，离子和电子会从电池的一边移动到另一边，当你给电池充电时，离子和电子又会移动回来。

“他们称之为摇椅机制，你把铁和电子从一边摇到另一边。”

Wragg说:“当它们处于新鲜状态并且工作良好时，电池可以存储一定量的离子，这就是系统的总容量。”

当以前来回移动的离子变成金属时，它们就不能在电池中移动了。离子是带电的，可以被来回引诱。金属原子是中性的，不能向任何一个方向运动。

“一旦锂变成了金属，它就不再能够用于电化学反应了。这种能力完全丧失了。”

这种情况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次时。但为什么当你快速充电时，情况会变得更糟?

快速充电过程中的瓶颈

在快速充电期间，同样数量的离子通过系统，但速度要快得多。所有的离子必须在极短的时间内找到它们在阳极中的位置。

“当你以两倍的速度充电时，你必须在一半的时间内移动同样数量的离子和电子，”Wragg说。

如果你以四到六倍的速度充电，自然会更加困难。

瑞格说:“这很困难，因为当你试图快速地将锂离子放入固体电极材料时，所发生的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，而石墨是由薄层碳构成的。阳极由几百万个这样的层组成。

“空的石墨就像一副纸牌，而锂离子就像被塞进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，可能会遇到瓶颈。

“你不断地把离子往里推，但除非已经在两层之间的离子能够往堆栈深处推，否则就没有空间让新的离子进入。当你快速给电池充电时，锂根本不会扩散到整个石墨电极上。它会粘在电解液附近，阳极和阴极是分开的。”

尤其是在这里，在这些瓶颈中，带电离子变成了中性原子，并聚集成微小的金属块。在施加能量的同时，离子不会进一步移动。这些多余的能量可能就是离子变成中性和稳定原子的原因。

“这叫做镀锂。也就是当锂离子不再以离子形式存在，而是变成了金属锂。我们已经知道这一点很长时间了，但之前并没有在工作中的电池中观察到这一点。”

然而，Wragg和他的同事们成功做到了这一点。他们使用x射线，每25毫秒扫描一次电池，并以不同的速度快速充电。这给他们提供了大量的数据，可以了解到原子层面上正在发生什么。

“我们实际上可以看到锂镀层的积累。在快速充电期间，我们可以看到锂的数量增长非常快。我们的理论是，这与锂离子的瓶颈有关。我们看到许多锂离子靠近分离器，这也是我们看到锂镀层的地方，”Wragg说。

“最有可能的事情是，你让这些锂离子聚集起来，它们就再也不能到达石墨了。它们被困在那里，有很多热量，很多能量被注入它们，所以它们被还原为金属锂。”

他们发现最靠近另一个电极的石墨层富含锂，而更深的地方几乎没有锂。充电越快，情况就越糟。

“你推得越快，镀层产生的速度就越快，”Wragg说。

未来:纳米管和石墨烯?

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

Wragg说:“对于电池制造商来说，关键是要设法改善锂的传输，这样当你快速充电时，锂就有更多的机会穿透整个石墨阳极。”

世界各地的研究人员都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，有很多人在使用碳纳米管。如果你拿一张卡片，把它卷成一个管，就会得到碳纳米管。它就像石墨一样，形成了管状结构，而不是有点扁平。”

Wragg和他在奥斯陆大学的同事们正在研究石墨烯，即阳极中的单层石墨。

“石墨已经存在了几百年。石墨烯和碳纳米管已经为人所知大约30年了，所以这需要时间。”

到目前为止，这些创新还没有出现在商业电池中。

“但毫无疑问，这是会发生的，”瑞格说。