锂离子电池如何实现快速充电和更长的生命周期

为了实现电动汽车可以行驶1000英里或手机一次充电可以运行数天的愿景，大多数电池开发商正在竞相生产在相同重量下可以储存两倍能量的电池。

大多数锂离子电池的研究主要集中在提高能量密度上，但初创公司TyFast首席执行官兼联合创始人GJ la O’表示，其研究所不同的是，通过在电池容量方面妥协，以实现快速充电和更长的生命周期。

该公司希望制造一种基于新型钒基阳极材料的电池，这种材料可以在3分钟内充电，并以能量密度为代价运行20000次充电循环。La O‘表示，能量密度可能是当今电池的80%到90%。La O’和该公司的联合创始人兼首席技术官Haodong Liu计划在6月初获得的新Activate fellowship的帮助下开发一款商业产品。“我们的重点是比今天的锂电池充电速度快20倍，寿命长20倍。这意味着，我们将提供与上一代设备相同的运行时间，但充电速度非常非常快，以至于你忽略尺寸和能量密度。”

这种折衷方案适用于其预期的始终在线、高利用率的应用，例如需要全天候工作的自动仓库或交付机器人。Tyfast的电池可以通过非常短的快速完成充电来实现这一点。

“今天的机器人平台利用电池组，可以运行8到10个小时，”研究人员表示，“如果你有一个更快的充电电池，那么相当于一个可以运行4到5小时的电池组。更小的电池组将意味着机器人每次旅行携带更多的负载，因此它将更有效率。”

锂离子电池的充电时间受锂离子进出阳极的速度限制。通常用于阳极的石墨现在具有平面结构，离子在层间滑动。

Tyfast取而代之的是一种由锂钒氧化物制成的阳极，这种材料具有类似于食盐的3D晶体结构。离子以三维形式在晶体中移动，使传输速度达到石墨的10倍。

加州大学圣地亚哥分校纳米工程师、Tyfast联合创始人Ping Liu等人于2020年在《自然》杂志上首次报道了LVO阳极，该阳极在充电和放电时的膨胀和收缩也小于石墨。石墨的体积变化率高达10%，而LVO的膨胀率不到2%。la O’解释说，“这可以减少阳极的机械和化学损伤，延长电池寿命。我们的技术正试图克服石墨设定的这种材料限制。”

然而，按重量计，石墨可以比LVO容纳更多的离子，从而提供更高的电池能量密度。一些公司正在开发纳米工程硅或锂金属阳极，其能量密度将是石墨的两倍，以实现更长的电动汽车行驶里程。这些材料的挑战还在于其极高的体积膨胀，可能会使阳极破裂。

Tyfast的LVO阳极可能更坚固，但其更高的成本可能是其缺点。它的价格几乎是石墨的两倍，每公斤超过20美元。la O’表示，具有LVO阳极和镍锰钴（NMC）阴极的电池将比石墨NMC电池贵30%到50%。但LVO的更长寿命可以弥补其更高的成本。他补充道：“如果你将其用于像自动机器人这样的一直在线应用程序中，LVO的持续时间更长，因此你的每个充电周期的成本更低。”

在推出机器人之前，该公司最初的目标是可穿戴设备市场。la O’说，它有几个客户在排队，其中包括一个主要的消费电子品牌。在实验室里，它正在制造信用卡和糖包大小的电池。这些原型使用LVO阳极和商用NMC阴极和电解质，迄今为止，充电周期超过2000次，充电时间不到15分钟。

到今年年底，该团队计划达到20000次循环，且充电时间不超过3分钟。“我们的愿景是使用Tyfast电池的消费电子设备，让你更快地恢复活力，”研究人员说，“想象一下，在你喝杯咖啡休息的时间后，你的设备就会充满电了。”　　

      审核编辑：彭静