为电池充电加速

心　雨

笔记本电脑、数码相机、手机等移动设备的出现大大地方便了我们的生活。但这些设备往往对电池有着很高的要求，给它们充电就成了一件很麻烦的事，因此人们一直在寻求减少充电时间的办法。

现在市面上大多数充电电池均为锂离子电池，这种电池能够在单位重量下携带更多的能量。锂在锂离子电池正负极材料中存在的形态既不是离子形态，也不是原子形态，而是介于原子与离子的中间形态，我们称其为“锂亚原子”。充电时，“锂亚原子”失去电子变成离子后进入溶液，锂离子在电场作用下到达负极，与从外电路过来的电子形成“锂亚原子”，存在于负极材料中。放电则相反，“锂亚原子”失去电子变成锂离子进入溶液，在电场作用下迁移到正极，与外电路过来的电子形成“锂亚原子”存在于正极材料中。现阶段广为应用的锂离子电池可以储存大量电能并平稳释放电能，但是不能在瞬间大量释放或获取电能。常见的锂离子电池每分钟充电量为总容量的2％～3％，完全充电时间大约需要几个小时，有时候还会更长。研究人员通常认为，这种情况缘自“锂亚原子”和电子共处时，在电池材料中活动太缓慢。

针对这一点，日本东芝公司研发出一款“超级充电离子电池”。这种电池的特别之处是在电池负极上使用了一种可以在大约1分钟的时间内吸附80％的锂离子的特殊材料，这样就可以做到快速充电，只要短短10分钟便可以把电池电量充至90％左右。这种电池比锂离子电池更耐用，锂离子电池一般能充电500次，这种电池能充电5000～6000次，而且这种电池有多种安全措施：防短路，耐热，不怕高电压。

最近，又有两位来自美国麻省理工学院(MIT)的材料专家宣布，他们开发出制造充电电池的新技术，可以大幅缩短手机和汽车的充电时间。两位专家在英国《自然》杂志上发表报告说，利用这种新技术制造的手机电池可以在10秒钟内完成充电，汽车电池可以在5分钟内完成充电。这项技术为新一代充电电池的诞生铺平了道路。

MIT的材料科学家采用的办法和东芝公司类似，也是经过改良锂离子电池的负极来保证锂离子电池在几秒钟内充电完毕。他们尝试将磷酸锂铁加入到锂离子电池的负极当中。这时负极由磷酸锂铁的微小颗粒构成，锂离子就在这些微粒的内部无规则地摆动。

两位专家通过计算机模型发现，锂离子一旦找到一个入口，便会迅速钻入这些微粒。然而它们往往只是在这些微粒的表面徘徊，难以找到一个真正的入口。因此，问题根源其实在于如何使这些锂离子进入能够将它们与电子分离的极微细通道。后来，他们通过在磷酸锂铁微粒的表面覆盖上一层碳，部分解决了这一难题——这些碳将帮助锂离子在磷酸锂铁微粒的表面更加迅速地移动，并最终找到一个入口。最后，他们又在这一基础上进行了新的改良：将微粒表面的碳外衣转换为由磷酸锂制成的传导性更佳的玻璃样材质涂层。利用这个涂层可以将锂离子导入极微细的通道，使它们能够迅速到达终端。

结果表明，由新材料制成的小电池能够在短短的10秒钟内充电完毕，这比没有“玻璃外衣”的磷酸锂铁电池的充电速度快了30倍，更比商用锂离子电池快了100倍。

两位专家还表示，由于这项技术不需要新材料，只是改变制造电池的方法，所以用两年到三年时间就可以将这项技术市场化。这意味着电力储存技术的革新，同时也给环保型汽车和可再生能源的发展带来便利。对此，美国加利福尼亚州劳伦斯·伯克利国家实验室的材料科学家及电池专家马尔卡·德夫(Marca·Doeff)表示：“这真是一个非常棒的概念。”这甚至将是生活方式的改变。

责任编辑赵新宇