锂离子电池重量轻、可靠且节能，因此广泛应用于电动汽车和智能手机。然而，它们的充电时间很慢，无法处理高电流浪涌。在最近的研究中，康奈尔工程团队开发了一种可在 5 分钟内充满电的电动汽车锂电池。这是这种快速充电电池的原型。
康奈尔大学工程团队研发出一种新型锂电池。它的充电时间不到5分钟，比市面上任何其他电池都快。此外，它在长时间充放电过程中也能保持稳定的性能。这项最新发现有望缓解驾驶员的里程焦虑。他们对电动汽车续航里程有限以及充电时间过长的担忧将得到减轻。
研究人员发现，铟是一种常用于触摸屏和太阳能电池板的软金属，具有极高的快速充电电池材料潜力。这是由于其固有的快速固态传输速率和较低的 Damköhler 数。此外，铟是低温焊料中铅的绝佳替代品。
康奈尔工程学院院长兼该项目负责人林登·阿彻教授表示： “里程焦虑是交通运输电气化面临的最大障碍，超过了电池的成本和性能等其他障碍，而我们已经找到了一种利用合理的电极设计来消除里程焦虑的途径。”
阿彻教授进一步补充道：“如果电动汽车电池能在五分钟内充满电，我的意思是，天哪，你就不需要配备续航里程达300英里的超大电池了。你可以选择容量小一些的电池，这可以降低电动汽车的成本，从而促进其更广泛的普及。”
该研究的第一作者、化学与生物分子工程博士生金硕表示： “我们的目标是设计出能够以符合日常生活习惯的方式进行充放电的电池电极。实际上，我们希望电子设备能够快速充电并长时间运行。为了实现这一目标，我们找到了一种独特的铟阳极材料，它可以与各种阴极材料有效结合，从而制造出一种充电快、放电慢的电池。”
流程
研究人员针对新型锂电池采用了一种独特的方法，重点关注电化学反应动力学。他们特别运用了化学工程中的一个概念——达姆科勒数。该概念本质上量化了化学反应发生的速度与物质向反应位点输送速度的比值。
最新研究表明，铟作为电池阳极具有两个关键特性。具体如下：
- 异常 低迁移能垒，它决定了离子在固态中扩散的速度
- A 中等交换电流密度，这会影响离子在阳极中还原的速率。
这些特性、快速扩散和缓慢表面反应动力学的协同作用对于快速充电和长期存储至关重要。
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阿彻教授表示：“这项创新的关键在于我们发现了一种设计原理，它允许电池阳极上的金属离子自由移动，找到合适的排列方式，然后才参与电荷存储反应。最终结果是，在每个充电循环中，电极都处于稳定的形态状态。这正是我们新型快速充电电池能够反复充放电数千次的关键所在。”
这种可在5分钟内充满电的锂电池采用了这项技术，并结合了道路上的无线感应充电。这有望显著降低电池的尺寸和成本，使电动交通成为驾驶者更可行的选择。然而，这并不意味着铟阳极就完美无缺或实用。
“虽然这项成果令人振奋，因为它教会了我们如何实现快速充电电池，但铟很重。这为计算化学建模，或许可以借助生成式人工智能工具，探索其他哪些轻质材料化学体系也能达到同样低的达姆科勒数提供了契机。例如，是否存在我们从未研究过的、却具备所需特性的金属合金？我的欣慰之处在于，我们发现了一个普遍适用的原理，任何人都可以设计出比现有技术更快、充电速度更优的电池负极材料，”阿彻教授补充道。
