让电池更快充电的关键，也许藏在一条简单公式里
MIT团队提出一个新的理论模型，解释锂离子电池中锂嵌入电极的反应速度。这个模型能帮助科学家更精准地设计更快充电、更耐用的电池。
锂离子电池已经陪我们走过二十多年，从手机到电动车都靠它。电池的核心反应看起来很简单。锂离子溶解在电解液里，在放电时钻进固体电极，在充电时再跑回电解液。这一进一出能持续上千次，决定电池能提供多少功率，也影响充电速度。
问题是，这个看似简单的过程背后的机制，科学界一直没有完全看清楚。到底是什么控制了锂离子钻入电极的速度，答案并不明确。
MIT的一组研究者做了一件长期困扰领域的大事情。他们测量了不同电极材料的锂嵌入速度，并用数据提出一个新的模型。这个模型指出，锂嵌入并不是单独发生的动作，而是一个电子和锂离子一起移动的过程。电子被转移进电极的同时，锂离子才能顺利进入结构，这种过程被称为耦合离子电子迁移。
在这个模型中，电子和锂离子相互配合，使反应更容易发生。研究者说，这能为设计更强、更快、更稳定的锂电池提供新的方向。
MIT的Martin Bazant说，希望通过这套理论，让电池的充电和放电过程更快更可控。另一个核心作者Yang Shao-Horn认为，这项研究把过去分散的观测统一到一个理论框架里，让科学家更容易理解为什么调整电极或电解液成分会提升性能。
这项成果发表在今天的《Science》，第一作者包括Yirui Zhang、Dimitrios Fraggedakis、Tao Gao和Shakul Pathak。
过去有个经典的解释。科学家长期认为锂嵌入速度由锂离子从电解液扩散到电极的速度决定，反应速率遵循近百年前提出的Butler Volmer方程。可惜，实验数据经常对不上，甚至不同实验室对同一种材料测出的速率能差出十亿倍。这个程度的混乱几乎让人没法依赖传统模型。
MIT团队用一种电化学方法解决了测量难题。他们向电极施加快速重复的短脉冲电压，然后测量反应响应，对五十多种电解液和电极组合进行了测试。这些材料包括电动车常用的三元材料和手机电脑常用的钴酸锂。
结果非常出乎意料。实际测得的反应速度比以前报道的慢得多，而且和Butler Volmer方程完全对不上。
基于大量数据，团队提出新的理论。核心假设是，锂离子要进电极，必须同时有一个电子转移到电极材料上。真正关键的步骤不是锂进入结构，而是电子让材料发生还原，使结构能够接纳锂。这种电子与锂离子同时发生的转移降低了能量壁垒，让反应更容易进行。
研究团队用这个耦合机制推导出新的数学框架，再拿实验结果验证，完全吻合。与经典模型相比，新理论显得更合理，也更符合现实的电池行为。
这项研究还展示了一个重要现象。只要改变电解液的成分，特别是换用不同的阴离子，就能让电子和锂的共同转移更省能量，从而让嵌入反应变快。Shao Horn说，这意味着只通过选不同电解液，就能提升反应速度，改变电极设计，甚至提高电池能量和功率。
她的团队正在用自动化实验平台合成和测试成千上万种电解液，再配合机器学习模型，寻找性能最优的配方。
这项模型还有助于设计更快充电的电池。只要让锂嵌入反应更迅速，就能缩短充电时间。它也能帮助减少副反应，比如电子被电解液夺走导致材料被腐蚀，这是电池老化的重要原因。如果能理解反应机制，就能更理性地改进材料，而不是靠运气。
Bazant说，如果想真正做到有依据地设计电池，而不是靠不断试验，需要一个理论框架来告诉我们哪些材料参数最重要。这篇论文就是在提供这个基础。
这项研究由Shell和Toyota Research Institute的D3BATT电池设计中心共同资助。
