从赛车手到电池工程师，人类的天性驱使我们不断挑战速度、性能和效率的极限，追求卓越。美国国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员正在将这种决心和专注力用于优化锂离子电池，以加快电动汽车（EV）的充电速度。尽管极速充电可能没有极限运动那样刺激，但这种更快的充电速度给人们带来了便利和灵活，从而加快了美国全国范围内向更可持续交通方式的过渡。

多年来，研究人员证实，实现快速充电尽管有可能，但关键的挑战在于如何在充电过程中不损坏电池。实现这一目标可能需要采取更厚的电极设计，以提高车辆续航里程和降低电池成本。

锂镀给快速充电设计带来挑战

当电池充电时，锂离子从负极快速移动到正极。到达后，离子插入石墨颗粒中，这个过程称为插层，以储存能量。锂离子移动得越快，电池充电速度就越快。然而，如果用力过猛，它们就无法成功插层。在这种情况下，锂在石墨材料表面形成了致密的金属屏障，阻碍了锂离子在充放电过程中的运动。这种现象被称为锂镀，会对电池的性能、安全性和使用寿命造成灾难性的影响。多年来，电池研究人员应用了大量技术来测量和绘制快速充电过程中的锂镀层。然而，现有技术能力受到使用寿命或复杂工艺的限制，创新速度有所减缓。为了实现锂离子电池的快速充电，研究人员需要更快的表征方法。

新工艺预测和预防锂镀

美国国家可再生能源实验室（NREL）和劳伦斯伯克利国家实验室的研究由美国能源部（DOE）的锂离子电池极限快速充电电池评估（XCEL）项目资助，通过电化学测量和先进的计算机建模，展示了更高效的锂镀层量化新技术。《自然能源》杂志最近的一篇文章“快速充电电池设计的高通量锂镀量化”详细介绍了这种创新方法和现场演示。

NREL 电池材料开发和建模研究负责人 Andrew Colclasure 说：“我们的合作研究采用了简单、方便和高通量的循环技术，明确地测量了锂电镀如何随着电极厚度、温度和充电速率变化。结合我们实验室基于物理的建模，我们改进了一种新的工艺，以预测和防止未来电池设计和充电协议中的锂镀。”此外，研究人员使用这种方法探索了锂镀层的可逆性及其与电解液设计的关系。首次测量结果发现，在标准电解液混合物中，锂镀层形成的金属屏障有近 70% 在电池放电过程中脱落。研究团队发现，随着氟乙烯碳酸酯被添加到电解液中，锂镀层的可逆性显著提高。未来的电池设计可以使用这个模型来模拟锂镀层的发生和行为，以避免不可逆的锂消耗。

Colclasure 说：“这些模型是我们 XCEL 和行业合作伙伴经过五年多的广泛验证和大量实验数据支持的结果。这项研究充分体现了自由共享数据的重要性以及 DOE 国家实验室的协作能力。”

最重要的是，项目开发的部分技术可以在实验室以外的环境中复制。Colclasure 补充说，这种新方法令人兴奋的部分原因在于使用通用研究设备就可以进行方法演示。

他说：“随着美国全境范围内越来越多的电池专家对标准电池进行锂电镀测试，共享数据有助于实现电池的极速充电。”