電動汽車（EV）的大規模商業化被視為全球路線圖上促進低碳經濟和盡量減少全球變暖的關鍵戰略。汽車鋰離子電池(LiB)的快速充電能力、續駛里程和安全性是影響電動汽車更廣泛市場采用的主要問題。由于工作電位低且平坦、循環穩定性好、電解質相容性好且成本低，石墨負極材料已廣泛用作汽車鋰電池的負極。然而，石墨陽極容易受到各種降解機制的影響，從而加劇電池老化，特別是在快速充電期間，限制能量和功率性能并損害電池安全。

石墨陽極表面的金屬鋰沉積（也稱為鍍鋰）是最有害的降解機制之一，它會阻止電動汽車以與內燃機汽車加油相媲美的充電速度，特別是在高能量密度電極中由緩慢的質量傳輸引起的極化占主導地位。電鍍消耗可逆鋰，減少陽極孔隙率和反應界面面積、枝晶形成和生長，這會導致內部短路。因此，改進對與電極微結構相關的電鍍傾向的機械理解、充電狀態(SOC)和充電速度對于先進材料和快速充電協議的設計和優化至關重要。由于跨多個長度尺度的復雜物理和化學過程，這在歷史上是具有挑戰性的。

由倫敦瑪麗女王大學的Xuekun Lu博士領導與來自英國和美國的國際研究團隊合作的一項新研究找到了一種防止電動汽車電池鍍鋰的方法，這一發現將徹底改變電動汽車電池的效率、安全性和壽命。該論文發表在《自然通訊》雜志上。

石墨負極充電過程中的鋰濃度分布用顏色表示

Dr. Xuekun Lu解釋說，通過優化石墨負極的微觀結構可以顯著減輕鍍鋰現象。石墨負極由隨機分布的微小顆粒組成，微調顆粒和電極形貌以獲得均勻的反應活性并降低局部鋰飽和度是抑制鋰沉積和提高電池性能的關鍵。

該研究表明，石墨顆粒的鋰化機制在不同條件下會有所不同，具體取決于其表面形態、尺寸、形狀和取向。這在很大程度上影響鋰的分布和鋰沉積的傾向，”Dr. Lu說。“在開創性的3D電池模型的幫助下，我們可以捕獲鋰電鍍的起始時間和地點以及其生長速度。這是一項重大突破，可能會對電動汽車的未來產生重大影響。”

該研究通過加深對快速充電過程中石墨顆粒內鋰重新分布物理過程的理解，為開發先進的快速充電協議提供了新的見解。這些知識可以帶來高效的充電過程，同時最大限度地降低鋰電鍍的風險。

除了更快的充電時間外，研究還發現細化石墨電極的微觀結構可以提高電池的能量密度。這意味著電動汽車一次充電可以行駛更遠的距離。

這些發現是電動汽車電池發展的重大突破。它們可以帶來充電速度更快、續航時間更長、更安全的電動汽車，這將使它們成為對消費者更有吸引力的選擇。

更多信息:Nature Communications (2023), DOI: 10.1038/s41467-023-40574-6. www.nature.com/articles/s41467-023-40574-6