為電池充電加速

心　雨

筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的出現(xiàn)大大地方便了我們的生活。但這些設(shè)備往往對電池有著很高的要求，給它們充電就成了一件很麻煩的事，因此人們一直在尋求減少充電時(shí)間的辦法。

現(xiàn)在市面上大多數(shù)充電電池均為鋰離子電池，這種電池能夠在單位重量下攜帶更多的能量。鋰在鋰離子電池正負(fù)極材料中存在的形態(tài)既不是離子形態(tài)，也不是原子形態(tài)，而是介于原子與離子的中間形態(tài)，我們稱其為“鋰亞原子”。充電時(shí)，“鋰亞原子”失去電子變成離子后進(jìn)入溶液，鋰離子在電場作用下到達(dá)負(fù)極，與從外電路過來的電子形成“鋰亞原子”，存在于負(fù)極材料中。放電則相反，“鋰亞原子”失去電子變成鋰離子進(jìn)入溶液，在電場作用下遷移到正極，與外電路過來的電子形成“鋰亞原子”存在于正極材料中。現(xiàn)階段廣為應(yīng)用的鋰離子電池可以儲(chǔ)存大量電能并平穩(wěn)釋放電能，但是不能在瞬間大量釋放或獲取電能。常見的鋰離子電池每分鐘充電量為總?cè)萘康?％～3％，完全充電時(shí)間大約需要幾個(gè)小時(shí)，有時(shí)候還會(huì)更長。研究人員通常認(rèn)為，這種情況緣自“鋰亞原子”和電子共處時(shí)，在電池材料中活動(dòng)太緩慢。

針對這一點(diǎn)，日本東芝公司研發(fā)出一款“超級(jí)充電離子電池”。這種電池的特別之處是在電池負(fù)極上使用了一種可以在大約1分鐘的時(shí)間內(nèi)吸附80％的鋰離子的特殊材料，這樣就可以做到快速充電，只要短短10分鐘便可以把電池電量充至90％左右。這種電池比鋰離子電池更耐用，鋰離子電池一般能充電500次，這種電池能充電5000～6000次，而且這種電池有多種安全措施：防短路，耐熱，不怕高電壓。

最近，又有兩位來自美國麻省理工學(xué)院(MIT)的材料專家宣布，他們開發(fā)出制造充電電池的新技術(shù)，可以大幅縮短手機(jī)和汽車的充電時(shí)間。兩位專家在英國《自然》雜志上發(fā)表報(bào)告說，利用這種新技術(shù)制造的手機(jī)電池可以在10秒鐘內(nèi)完成充電，汽車電池可以在5分鐘內(nèi)完成充電。這項(xiàng)技術(shù)為新一代充電電池的誕生鋪平了道路。

MIT的材料科學(xué)家采用的辦法和東芝公司類似，也是經(jīng)過改良鋰離子電池的負(fù)極來保證鋰離子電池在幾秒鐘內(nèi)充電完畢。他們嘗試將磷酸鋰鐵加入到鋰離子電池的負(fù)極當(dāng)中。這時(shí)負(fù)極由磷酸鋰鐵的微小顆粒構(gòu)成，鋰離子就在這些微粒的內(nèi)部無規(guī)則地?cái)[動(dòng)。

兩位專家通過計(jì)算機(jī)模型發(fā)現(xiàn)，鋰離子一旦找到一個(gè)入口，便會(huì)迅速鉆入這些微粒。然而它們往往只是在這些微粒的表面徘徊，難以找到一個(gè)真正的入口。因此，問題根源其實(shí)在于如何使這些鋰離子進(jìn)入能夠?qū)⑺鼈兣c電子分離的極微細(xì)通道。后來，他們通過在磷酸鋰鐵微粒的表面覆蓋上一層碳，部分解決了這一難題——這些碳將幫助鋰離子在磷酸鋰鐵微粒的表面更加迅速地移動(dòng)，并最終找到一個(gè)入口。最后，他們又在這一基礎(chǔ)上進(jìn)行了新的改良：將微粒表面的碳外衣轉(zhuǎn)換為由磷酸鋰制成的傳導(dǎo)性更佳的玻璃樣材質(zhì)涂層。利用這個(gè)涂層可以將鋰離子導(dǎo)入極微細(xì)的通道，使它們能夠迅速到達(dá)終端。

結(jié)果表明，由新材料制成的小電池能夠在短短的10秒鐘內(nèi)充電完畢，這比沒有“玻璃外衣”的磷酸鋰鐵電池的充電速度快了30倍，更比商用鋰離子電池快了100倍。

兩位專家還表示，由于這項(xiàng)技術(shù)不需要新材料，只是改變制造電池的方法，所以用兩年到三年時(shí)間就可以將這項(xiàng)技術(shù)市場化。這意味著電力儲(chǔ)存技術(shù)的革新，同時(shí)也給環(huán)保型汽車和可再生能源的發(fā)展帶來便利。對此，美國加利福尼亞州勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家及電池專家馬爾卡·德夫(Marca·Doeff)表示：“這真是一個(gè)非常棒的概念?！边@甚至將是生活方式的改變。

責(zé)任編輯趙新宇