為電池充電加速

心　雨

筆記本電腦、數碼相機、手機等移動設備的出現大大地方便了我們的生活。但這些設備往往對電池有著很高的要求，給它們充電就成了一件很麻煩的事，因此人們一直在尋求減少充電時間的辦法。

現在市面上大多數充電電池均為鋰離子電池，這種電池能夠在單位重量下攜帶更多的能量。鋰在鋰離子電池正負極材料中存在的形態既不是離子形態，也不是原子形態，而是介于原子與離子的中間形態，我們稱其為“鋰亞原子”。充電時，“鋰亞原子”失去電子變成離子后進入溶液，鋰離子在電場作用下到達負極，與從外電路過來的電子形成“鋰亞原子”，存在于負極材料中。放電則相反，“鋰亞原子”失去電子變成鋰離子進入溶液，在電場作用下遷移到正極，與外電路過來的電子形成“鋰亞原子”存在于正極材料中。現階段廣為應用的鋰離子電池可以儲存大量電能并平穩釋放電能，但是不能在瞬間大量釋放或獲取電能。常見的鋰離子電池每分鐘充電量為總容量的2％～3％，完全充電時間大約需要幾個小時，有時候還會更長。研究人員通常認為，這種情況緣自“鋰亞原子”和電子共處時，在電池材料中活動太緩慢。

針對這一點，日本東芝公司研發出一款“超級充電離子電池”。這種電池的特別之處是在電池負極上使用了一種可以在大約1分鐘的時間內吸附80％的鋰離子的特殊材料，這樣就可以做到快速充電，只要短短10分鐘便可以把電池電量充至90％左右。這種電池比鋰離子電池更耐用，鋰離子電池一般能充電500次，這種電池能充電5000～6000次，而且這種電池有多種安全措施：防短路，耐熱，不怕高電壓。

最近，又有兩位來自美國麻省理工學院(MIT)的材料專家宣布，他們開發出制造充電電池的新技術，可以大幅縮短手機和汽車的充電時間。兩位專家在英國《自然》雜志上發表報告說，利用這種新技術制造的手機電池可以在10秒鐘內完成充電，汽車電池可以在5分鐘內完成充電。這項技術為新一代充電電池的誕生鋪平了道路。

MIT的材料科學家采用的辦法和東芝公司類似，也是經過改良鋰離子電池的負極來保證鋰離子電池在幾秒鐘內充電完畢。他們嘗試將磷酸鋰鐵加入到鋰離子電池的負極當中。這時負極由磷酸鋰鐵的微小顆粒構成，鋰離子就在這些微粒的內部無規則地擺動。

兩位專家通過計算機模型發現，鋰離子一旦找到一個入口，便會迅速鉆入這些微粒。然而它們往往只是在這些微粒的表面徘徊，難以找到一個真正的入口。因此，問題根源其實在于如何使這些鋰離子進入能夠將它們與電子分離的極微細通道。后來，他們通過在磷酸鋰鐵微粒的表面覆蓋上一層碳，部分解決了這一難題——這些碳將幫助鋰離子在磷酸鋰鐵微粒的表面更加迅速地移動，并最終找到一個入口。最后，他們又在這一基礎上進行了新的改良：將微粒表面的碳外衣轉換為由磷酸鋰制成的傳導性更佳的玻璃樣材質涂層。利用這個涂層可以將鋰離子導入極微細的通道，使它們能夠迅速到達終端。

結果表明，由新材料制成的小電池能夠在短短的10秒鐘內充電完畢，這比沒有“玻璃外衣”的磷酸鋰鐵電池的充電速度快了30倍，更比商用鋰離子電池快了100倍。

兩位專家還表示，由于這項技術不需要新材料，只是改變制造電池的方法，所以用兩年到三年時間就可以將這項技術市場化。這意味著電力儲存技術的革新，同時也給環保型汽車和可再生能源的發展帶來便利。對此，美國加利福尼亞州勞倫斯·伯克利國家實驗室的材料科學家及電池專家馬爾卡·德夫(Marca·Doeff)表示：“這真是一個非常棒的概念。”這甚至將是生活方式的改變。

責任編輯趙新宇