當鋰離子被強制快速通過電池時，它們可能會被卡住，變成金屬鋰，不再能夠在電池中移動。

想象一下，能夠在停下來吃快餐的時候給你的電動車加油，或者在刷牙的時候給你的手機加油。

奧斯陸大學材料科學和納米技術中心的高級工程師DavidWragg說："快速充電是一種圣杯。這是每個擁有基于鋰離子電池的設備的人希望能夠做到的。然而，在電池內部，有許多復雜的化學成分，可能對充電的速度很敏感。事情可能會出錯。”

容量損失是最關鍵的問題。

未來有可能制造出容量非常大的電池，可能讓你的電動汽車行駛1000公里，但在你充電和放電幾次后，你將失去大約一半的容量和范圍。所有的可充電電池都會隨著時間的推移而退化，但當電池受到快速充電時，這種負面效應會格外強烈。萊格是一項研究背后的研究人員之一，該研究表明了原因。

他們已經能夠看到，對電池容量非常重要的鋰離子被轉化為純金屬鋰，不再有用了。而最重要的是：這種效果在快速充電時得到了極大的加強。

電池就像一把搖椅

在電池的一側是陽極，另一側是陰極。這兩個電極都可以儲存電子和離子。在它們之間是一個分離器和液體電解質，幫助離子從一邊到另一邊。當你使用儲存在那里的電流時，離子和電子從電池的一側移動到另一側，而當你充電時又返回。

他們把這稱為搖椅機制，你把鐵子和電子從一邊搖到另一邊。當它們是新鮮的，而且工作得很完美時，電池可以儲存一定數量的離子，這就是系統的總容量。當過去來回移動的離子變成金屬時，它們不再能夠在電池中移動。離子是帶電的，可以被引誘著來回移動。金屬原子是中性的，不能被引誘到任何一個方向。

"一旦鋰變成了金屬，它就不能再真正進入電化學反應。這種能力完全喪失。"Wragg說。

這發生在所有可充電的鋰離子電池中，當你給它們充電足夠多的次數。但為什么當你快速充電時，情況會變得更糟？

快速充電期間的瓶頸

在快速充電期間，同樣數量的離子在系統中移動，但速度要快得多。所有離子必須在更短的時間內找到它們在陽極的位置。

萊格說："當你以雙倍速度充電時，你必須在一半的時間內移動相同數量的離子和電子。如果你以四倍或六倍的速度充電，自然會更加困難。這很難，因為當你試圖將鋰離子快速放入固體電極材料時，化學反應有一定的限制。"

在充電過程中接收離子的陽極是由石墨制成的，而石墨是由碳的薄層形成的。陽極由幾百萬個這樣的層組成。

空的石墨就像一副牌，而鋰離子就像小球被推入牌之間的空間。問題是，當你試圖將鋰離子推到石墨層之間時，你會遇到瓶頸。

你不斷地將離子推入，但除非已經在層間的離子能夠推入更深的堆棧，否則就沒有空間讓新的離子進入了。當你給電池快速充電時，鋰根本不會擴散到整個石墨電極上。它只是被卡在靠近電解質的地方，也就是陽極和陰極分離的地方。

特別是在這里，在這些瓶頸處，帶電離子變成了中性原子，并積聚在小小的金屬塊中。離子不會進一步移動，在施加能量的同時。這種過剩的能量可能是將離子變為中性和穩定原子的原因。

這被稱為鍍鋰。這就是當鋰離子，而不是停留在離子形式，變成了金屬鋰。這已經知道了相當長的時間，但以前沒有在工作的電池中真正觀察到它。

然而，這一點，Wragg和他的同事已經成功做到了。使用X射線，他們每25毫秒掃描一次電池，在以不同的速度快速充電時，一次又一次地掃描。這給了他們關于正在發生的事情的大量數據，直到原子水平。

"我們實際上可以看到鋰電鍍層的建立。在快速充電過程中，我們可以看到鋰的數量增長非常快。我們的理論是，這與鋰離子的這個瓶頸有關系。我們看到大量的鋰離子靠近分離器，這也是我們看到鍍鋰的地方。"Wragg說。

最可能的事情是你得到這些鋰離子的積累，它們只是不能再進入到石墨中。它們被卡在那里，有大量的熱量，大量的能量被投入到它們身上，因此它們被還原成金屬鋰。

他們看到，最靠近另一個電極的石墨層含有非常豐富的鋰，而在更深的地方，幾乎沒有鋰。他們充電越快，情況就越糟糕。你推動它的速度越快，電鍍就越快。

未來：納米管和石墨烯？

這項研究決不是快速充電的終點。它只是意味著研究人員必須找到新的和更好的解決方案。

賴格說："這對制造電池的人來說，關鍵是要設法改善鋰的運輸，以便當你快速充電時，有更多的機會讓鋰真正通過石墨陽極的整體。"

世界各地的研究人員正在尋找能夠使電池更好地承受快速充電的新材料和方法。例如，有很多人使用碳納米管。碳納米管是你得到的東西，如果你拿一張卡片并把它卷成一個管子。它就像一個被形成管子的石墨，而不是有點扁平。

拉格和奧斯陸大學的同事們在陽極中使用石墨烯，即石墨的單片。石墨已經有幾百年的歷史了。石墨烯和碳納米管已經知道了大約30年，所以這需要時間。

到目前為止，這些創新都沒有出現在商業電池中。