對於新能源電動車車主來說，最理想的充電體驗莫過於能讓燃油車加油一樣，在幾分鐘內完成能量補給。在美國馬里蘭大學教授王春生團隊的努力下，這一願望並不遠矣。
在近期一篇 Science 論文中，他們發現了一個困擾所有電池的“口渴”難題，爲此發明了一種新型電解質，讓電池在一刻鐘內就能充入八成電量。
具體來說，他們製作了符合工業標準的商用軟包電池。這種電池使用了厚實的電極，本身就是爲高能量和長續航而設計，但也因此在傳統上被認爲是快充困難戶。然而，當注入這種電解質的時候，在12.8 分鐘內電池充到了 80% 的電量，在 14.7 分鐘內電池充到了 90% 的電量。這遠遠超過了美國能源部制定的 15 分鐘內充至 80% 的快充目標。
（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec7378）
未來當你在服務區休息時，也許只需要喝一杯咖啡的時間，就能獲得數百公里的續航里程。而且這種新型電解質能在電極表面形成一層穩定、堅固的保護膜，故能增加電池的壽命。掃描電鏡的圖片也顯示，電池內部並未產生會導致電池短路的鋰枝晶，故其也擁有較高的安全係數。
圖 | 相關論文的第一作者趙長欣（來源：資料圖）
電池也有小宇宙，電池更有小煩惱
鋰離子電池，是我們常用的手機、平板電腦和電動汽車的能量核心。鋰電池就是一個巨大的、結構精妙的離子游樂場。它主要有兩個區域：正極和負極，中間由一層叫做隔膜的柵欄分開。而填充整個離子游樂場的，是一種名爲電解質的液體，它就像是離子們的遊樂場。
當我們給電池充電時，成千上萬個帶有正電的鋰離子會從正極出發，遊過電解質這片泳池，鑽進負極的“微觀小酒店”裏住下來，通過這一過程便能給電池充滿電。當我們開動新能源電動車時，這些鋰離子又會退房，並游回電解質這片泳池，同時會釋放電能。
一直以來，人們都希望離子能夠遊得更快，這樣充電就能更快。過去，人們主要覺得離子要走的路過於坎坷。具體來說，電池的電極就像一塊充滿了小孔的海綿，因此路線彎彎繞繞，當離子在裏面游來游去的時候就會非常耗時。所以傳統方法是把這塊海綿做得薄一點、孔大一點、路直一點，這確實能讓離子游得更快、充電也更快。
但是，一個新麻煩也會隨之出現：薄海綿能夠裝下的離子住戶也因此減少，這意味着電池的總電量也就是能量密度也下降了。
（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv1739）
揪出電滲拖曳這一“隱形小偷”
爲了找出一個兩全其美的方法，該團隊通過研究發現除了離子的路不好走以外，還有一個一直被人們忽略的“隱形小偷”在作怪，這個小偷的名字叫做電滲拖曳。
事實上，每個鋰離子都是“穿着衣服”游泳的。在電解質這片泳池裏，它們會穿上一件由溶劑分子做成的外套。當對電池進行快充時，鋰離子就會從正極快速游出來，在帶有所有離子的同時，還會順帶拖走三四件外套。
在一個設計緊湊的電池裏，溶劑的總量要比鋰離子的總數少得多。如果每個離子都拖走3-4 件外套，那麼電池裏所有的溶劑，最多隻夠給八分之一的離子提供外套。
事實上，前述估算已經相當保守；如果進一步只考慮電極孔道內部的那部分溶劑，其相對於鋰離子的匱乏將更加突出，溶劑供給不足的問題會變得更加嚴峻。這就會導致當對電池進行快充時，鋰離子一窩蜂地從正極電極的小孔裏湧出來，每個鋰離子都拖着幾件外套跑掉。
這時，電極內部的溶液會被快速抽乾，而外面的溶液又來不及補充進來，很快電極表面就會變得乾旱。一旦發生乾旱，當後續的鋰離子想游出來，卻發現身邊沒有溶液了，就像擱淺在沙灘上的魚一樣動彈不得。
而電池電壓也會異常升高，充電速度被迫急劇下降甚至停止。這種因爲乾旱而產生的阻力便叫電滲拖曳過電位，它在厚電極裏尤其猖獗，因爲電極越厚，乾旱區域中心的溶液就越難從外部得到補充，這也解釋了爲什麼能量密度高的厚電池電極很難實現快充。
爲此，該團隊使用中子成像這一技術來抓拍電滲拖曳這個“小偷”。由於中子對於溶液中的氫原子非常敏感，爲此他們設計了一個實驗，讓電池裏僅有溶劑含有能被中子看見的氫原子。結果他們清晰地看到厚電極內部的氫信號急劇減弱，直接觀察到電池快充時的內部乾旱現象。
（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv1739）
調製電解質，智鬥“隱形小偷”
既然找到了罪魁禍首，下一步就是制定消滅方案。該團隊認爲：如果無法改變電極結構，能否從溶液本身下手？也就是讓鋰離子少穿點外套出門，同時想辦法讓一些外套自己“走回來”。
爲此，他們設計了一種雙氟化電解質，這種電解質能夠巧妙調節離子和溶劑之間的關係。
一方面，這可以減弱陽離子溶劑化，研究人員在溶劑分子上引入了兩個氟原子，氟原子會努力吸走溶劑分子上的電子雲，進而讓溶劑分子對於鋰離子的吸引力變弱。結果就是，鋰離子的外套變少了，這樣一來它們每次出走所帶走的溶劑自然也會變少。
另一方面，這可以增強陰離子的溶劑化。這是因爲在被雙氟化的那個基團上還帶着氫原子。由於電子被氟搶走，這些氫原子的正電性會變得很強，因此非常渴望找到朋友。這時，它們會與帶負電的陰離子上的氮、氧、氟原子形成氫鍵，這意味着陰離子也開始穿上外套了。
隨後，在正極之中，鋰離子開始往外遷移，拖出去溶液隨之變少。同時，陰離子向相反方向遷移。由於陰離子現在也穿着外套，因此它們的運動會產生反向流動並將溶液往回帶。就這樣一減一加實現了完美平衡，電極內部的水位得以繼續維持，再也不會變得乾旱。
而電滲拖曳過電位則會被大幅削弱。這個設計就像給電池內部的游泳池安裝了一個智能循環系統，能夠保證水流暢通且永不幹涸。通過核磁共振等儀器，該團隊驗證了氫鍵的存在，證實了這一設計的成功。
（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv1739）
總的來說，本次團隊突破了傳統認知，發現並揭示了在厚電極電池快充過程中電解液的溶劑並非靜止，而是會因離子遷移產生流動並導致局部耗盡。
此次新發現的電滲拖拽現象，是阻礙高能量密度電池實現快充的關鍵瓶頸。基於這一規律，他們通過新的電解質設計，成功協調了離子與溶劑的運動，最終使厚電極、高能量密度電池在短時間內快速充電成爲現實。
事實上，電滲拖拽導致極化的現象，在氫氧燃料電池領域其實是已有明確認知的。但是，在鋰電池的研究中，這個現象和機制長期以來卻被大家忽視了。本次工作正是將這一被忽視的老問題從燃料電池領域引入並證實於鋰電池領域，發現了它的普遍存在與關鍵影響。
同樣重要的是，這個關於電滲拖曳的成果，不僅適用於鋰電池，還有望幫助改進超級電容器、電化學精煉等其他能源技術。
未來，該團隊計劃推動電解液設計向“六邊形戰士”演進。當前工作主要聚焦於解決快充難題，但一個理想的電池需要兼顧多重性能：包括高安全性、高能量密度、長循環壽命、優良的低溫性能等。
未來的電解液設計絕不能是“偏科生”，而必須是全能型的“六邊形戰士”。因此，他們計劃通過開發新型功能添加劑或優化溶劑組合，在保證卓越快充能力的同時，進一步實現更長的循環壽命、更寬的工作溫度範圍以及更好的存儲穩定性，最終推動下一代高性能電池的全面發展。
參考資料：
相關論文
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv1739
