阿贡光激发锂离子电池快充技术艺术渲染图。 （图片来源：阿贡国家实验室）
美国能源部（DOE）下属的阿贡国家实验室研究人员提出一种加快电动汽车锂离子电池充电速度的新方法。只需将电池阴极暴露在一束聚光下——比如氙灯发出的白光——就可大幅降低电池充电时间至原来的一半甚至更多。如果实现商业化，这种技术可能会改写电动汽车行业的游戏规则。
电动汽车的电量过低或距离最近的充电站过远时，车主通常会产生“里程焦虑”。电动汽车要占据运输市场的更大份额，快充是一个重大挑战。现在将一辆完全放电的电动汽车充满通常需要8个小时。
现在有专门的超级充电站，为电池提供大电流来实现电动汽车的极速充电。然而，短时大电流会对电池性能造成负面影响。
通常，车用锂离子电池需要缓速充电，使内部的电化学反应充分进行。该反应涉及去除氧化物阴极中的锂，并将其嵌入到石墨阳极中。
阿贡杰出研究员、化学科学与工程部领导Christopher Johnson表示，“我们希望大幅缩短这种充电反应过程，同时又不让随之而来的大电流损坏电池。”
如今，锂离子电池的电极被封装在一个密闭空间内，在黑暗环境中运行。阿贡的光辅助技术则使用一个透明空间，允许电池电极在充电过程中被聚光照射。
为研究充电过程，研究团队制作了带有透明石英窗的小型锂离子电池（“硬币电池”）。然后分别在有白光和无白光透过窗口照射阴极的条件下，对电池进行测试。
Johnson表示，“我们猜想，在充电过程中，白光会与常规阴极材料产生良好的相互作用，这一点在电池测试中得到验证。”这种阴极材料是锂锰氧化物，即LiMn2O4（LMO）。
这种有利反应的关键之处在于光线与LMO的相互作用。LMO是一种已知的能与光相互作用的半导体材料。LMO中的锰元素在充电过程中吸收光线中的光子，使其价态从三价（Mn3+）升为四价（Mn4+）。相应地，锂离子从阴极发射的速度比无光子激发时更快。
这能加快电池的反应速度。团队发现，反应速度越快，充电速度越快，还不会降低电池性能或循环寿命。Johnson表示，“电池测试显示，在开灯情况下，充电时间能缩短一半。”
研究团队完成的这项研究属于阿贡实验室下属的DOE尖端能源研究中心（EFRC）、电化学能源科学中心（CEES）的一部分。
CEES主任、化学科学与工程部高级物理学家Paul Fenter表示，“CEES致力于弄清锂离子电池的电极过程，这一目标使其取得关键性突破，将影响科技的发展。这项研究便是一个很好的例证，也标志着EFRC项目具有转折意义的影响。”
Johnson补充道，“这项研究是光和电池技术的首次融合，这一交叉结合预示着电池充电概念创新的未来。”
DOE能源效率与可再生能源部门的车辆技术办公室已将快充技术认定为电动汽车大规模应用的重大难题，攻克目标是充电时间15分钟，而这项研究可能是实现目标的关键所在。研究已发表于《自然·通讯》（Nature Communications）杂志。
作者：Joseph E. Harmon
翻译：巢栩嘉
审校：赵欢
引进来源：美国阿贡国家实验室
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