行业分析师认为，阻碍汽油车向电动汽车广泛转换的原因之一就是电池充电时间长。例如，一辆电动汽车需要将近一个小时才能将电池从40%充电到80%。然而，在一项新研究中，科学家找到了提高充电效率的方法。
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%。相关成果近日发表于《科学进展》。
1、高能量密度与快充性能是一对矛盾
当前，锂离子电池驱动的电动汽车因其节能、环保受到人们青睐。然而，电动汽车的充电时间远长于传统燃油汽车的加油时间，大大降低了使用体验感。
“这主要是因为锂离子电池中石墨负极较差的倍率性能，限制了电动汽车的快速充电能力。”论文共同第一作者、中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心特任副研究员卢磊磊向《中国科学报》解释。
能量密度、功率密度是评价电池系统的两个重要参数。能量密度决定着单位质量/体积下可以储存的能量大小，而功率密度则决定着电池充放的倍率。理想状态下，这两项参数越高，锂离子电池性能越好。然而，高能量密度与快充性能是一对矛盾，是一个“此起彼伏”的过程。
卢磊磊说，“高能量密度通常意味着电池单体活性物质载量比较高，电极比较厚，从而具有较长的锂离子传输路径，限制充放电倍率。”
因此，为提高石墨负极的倍率性能，传统的策略通常是将石墨电极做到多孔或变薄。 “但是，这些方法往往就会牺牲所制备电池的能量密度。”卢磊磊坦言。
有没有一种解决方案，能够实现高能量密度与快充性能“鱼与熊掌”的兼得？俞书宏团队决定从设计电极结构入手，在保证能量密度的情况下提升锂离子电池的快充性能。
2、给石墨颗粒“排队”加快充电速度
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。
卢磊磊介绍，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。具体表现为，越接近电池顶部的石墨颗粒更小，孔隙率更高，越接近底部颗粒更大，孔隙率更低。
“我们将这种结构称之为双梯度电极。”卢磊磊说，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。
理想的结构模型已找到，接下来就是如何在电极中实现。
传统的电极制备方法中，由于浆料黏度很高，制备的石墨浆料稳定，不易发生沉降。因此制备出的电极，包括石墨颗粒大小和孔隙率大小通常都是均匀分布。卢磊磊说，“就像速溶奶粉，取任何一部分都是均质的。”
如何构筑一种“异质”结构？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。
3、锂离子电池材料的探索
锂离子电池因其优良的运用性能如电压高、比容量大、无记忆效应等深受各电子产品制造厂商的喜欢，产量逐年扩大。锂离子电池目前已深化到我们工作和生活的每一个角落，能够说是随处可见，手机、电脑、相机、充电宝、电动自行车、新能源汽车等都将锂离子电池作为理想的电源。目前全国锂离子电池总的耗费量在78亿只左右。
目前我国手机总产量已超越20亿部，假如一部手机配一块锂离子电池，这些电池的均匀寿命为3年，那么3年后，我们身边的废旧锂离子电池数量就可能到达数以百亿块。这还不包括笔记本电脑、照相机、充电宝等常用设备中所运用的锂离子电池。
随着新能源汽车的日益提高，锂离子电池在新能源汽车上的应用又将带动锂离子电池的消费。从手机到电动自行车再到电动汽车，生活中的废旧锂离子电池越来越多，而资源却愈加慌张，环保请求日益严厉，面对数以万计的废旧锂离子电池若处置不好，人们的身体安康将直接或间接地遭到伤害。
其实，废旧锂电池能够回收再应用，如一些有价重金属回收价值大。通常，废旧锂离子电池中钴、锂、镍的比例小，这些金属都是一次资源。特别是金属钴，因没有单独的矿床，大多伴生于铜、镍矿中，且品位较低，产量小，价钱较贵，假如得到回收可解决我国钴资源紧缺的问题。除此之外，废旧锂电池中还含有铜、铝、铁等金属元素，都能够回收再应用，完成物尽其用、变废为宝，不只环境效益显著，而且经济效益客观。
结语：
加速充电的主要瓶颈之一是电池的阳极。它们大多数由石墨制成，并采用无序浆料构成。研究人员指出，这不是通过电流的有效方式。他们还指出，除了其中的材料排列方式之外，还有它们的间隙大小问题。
为了克服这个问题，在新研究中，科学家首先运用粒子级理论模型来优化不同尺寸粒子和电极孔隙率的空间分布。接下来，他们利用从模型中学到的知识对标准石墨阳极进行更改，并把铜纳米线添加到浆液中。然后，将之进行加热并冷却阳极，把浆料压缩成更有序的材料。
最后，他们将阳极固定在标准锂离子电池上，然后测量充电所需的时间。结果表明，他们能够在 5.6 分钟内将电池充电至 60%，并在 11.4 分钟内将电池充电至 80%。
