美国能源部阿贡国家实验室的研究人员报告了一种加速电动汽车锂离子电池充电的新机制。简单地将阴极暴露在一束强光下——例如，氙气灯发出的白光——会将电池的充电时间显著降低两倍或更多。如果这项技术商业化，可能会改变电动汽车的游戏规则。
电动汽车的车主很清楚“里程焦虑”，因为充电水平太低，或者最近的充电站位置似乎太遥远。快速充电仍然是一个关键的挑战，如果这样的车辆要占领一大块运输市场。电动汽车空载充电一般需要8个小时。
现在有专门的超级充电站，通过向电池提供高得多的电流来实现电动汽车的超快充电。然而，在过短的时间内通过过多的电流会降低电池的性能。
通常情况下，车辆用的锂离子电池需要缓慢充电才能获得完整的电化学反应。这个反应包括从氧化物阴极中移除锂，并将其插入到石墨阳极中。
“我们想要在不破坏电极的情况下大大缩短这种电荷反应，”Christopher Johnson说，他是Argonne杰出的研究员，也是化学科学和工程部的组长。
今天的锂离子电池在黑暗状态下工作，电极被封装在一个盒子里。阿贡的光电辅助技术将使用一个透明的容器，使集中的光在充电时照亮电池电极。
为了探索充电过程，研究小组制作了带有透明石英窗的小型锂离子电池(“硬币电池”)。然后，他们对这些电池进行测试，让白色的光从窗口照射到阴极上。
约翰逊说:“我们假设，在充电过程中，白光会与典型的阴极材料发生良好的相互作用，这在我们的电池测试中得到了证实。”该阴极材料是一种锂锰氧化物，缩写为LiMn2O4 (LMO)。
这个有利反应的关键成分是光与LMO的相互作用，LMO是一种半导体材料，已知可以与光相互作用。在充电时吸收光中的光子，LMO中的锰元素将其电荷状态从三价态变为四价态(Mn3+变为Mn4+)。因此，锂离子从阴极中喷射出来的速度要比没有光子激发过程时快。
这种情况下，驱动电池反应更快。研究小组发现，反应越快，充电速度越快，电池性能和循环寿命也不会降低。约翰逊说:“我们的电池测试显示，开灯后充电时间缩短了两倍。”
研究团队作为电化学能源科学中心(CEES)的一部分完成了这项工作，该中心是由Argonne领导的能源部能源前沿研究中心(EFRC)。
“这项研究是一个很好的例子，说明了CEES了解锂离子电池电极过程的目标，是如何推动影响技术的关键进展的，”CEES主任、化学科学与工程部高级物理学家保罗·芬特(Paul Fenter)说。“这象征着EFRC项目可以实现的转型影响。”
Johnson补充说:“这是光和电池技术首次融合的发现，这一交叉预示着未来电池的创新充电概念的良好前景。”
美国能源部能源效率和可再生能源办公室的车辆技术办公室已经确定快速充电是确保大规模采用电动汽车的一个关键挑战，目标是15分钟。充电时间，这项研究可能是实现这一目标的关键。
这项研究发表在《自然通讯》杂志上，题为“锂离子电池的光加速快速充电”。