近年来，人们对电池能量密度的需求不断增加，然而电池能量密度的增加趋势非常缓慢。要想让用户没有续航焦虑，除了增加能量密度外，另外一个重要的功能就是电池的快充。电池在更短的时间内，充电到一定的容量，达到可用的程度即可。
快充的场景在手机和电动车上非常常见，还记得那句广告词吗？“充电5分钟，通话2小时”，OPPO手机当年凭借这个快充技术在手机行业里面竖起了一个标杆。之后手机电池充电速度不断提升，当前120 W已经商用，150 W也即将到来。而特斯拉4680电芯已进驻工厂，充电速度堪比加油，7分钟充电50％，这极大地缓解了用户的开车焦虑。
在学术界，关于快充的研究也一直在进行，并且在不断地取得突破，接下来，我们就一起看看最近几年发表在Nature和Science上的快充突破！
马里兰大学胡良兵Nature：把木头变成固态电解质！
马里兰大学胡良兵教授和布朗大学齐月教授等人在Nature上发表成果，Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-state batteries，报告了通过分子通道工程实现高性能固体聚合物离子导体的一般策略。该策略基于扩展分子间聚合物结构和将Li+传输与聚合物链段松弛解耦，从而导致高离子导电性。
作者首先使用纤维素纳米纤维（CNFs）来演示这种方法。CNFs可以从各种生物质来源（例如木材）中大量获得，并具有对齐的一维（1D）分层结构，富含含氧极性功能基团（例如羟基），其形式为重复无水葡萄糖单元（AGUs），构成纤维素分子链。
▲Li-Cu-CNF固态离子导体的结构和离子运输性能
这种极性功能可以溶解Li+并有助于Li+运动，然而，纤维素分子链之间的窄间距特性不允许Li+的穿入。因此，CNF以前仅用作液体/凝胶电解质（不是固态离子导体）或其他SPE（离子导电性差）的惰性支撑基质。作者在这里表明，铜离子（Cu2+）与CNFs的配位（Cu-CNF）能够通过将聚合物链之间的间距扩展到分子通道来改变纤维素的晶体结构，从而实现锂离子的插入和快速运输。在这种1D传导通道中，丰富的含氧纤维素功能基团，以及少量结合水，以与聚合物分段运动解耦的方式帮助Li+的运动。
这一设计策略的成功创造了一类聚合物离子导体，使各种阳离子（例如Na+）能够快速传导，具有高室温离子导电性。例如，作者还研究了由壳聚糖、海藻酸、羧甲基纤维素（CMC）和黄原胶（XG）制成的与Cu2+配位的聚合物离子导体，所有这些导体都表现出高温离子导电性。
Yang, C., Wu, Q., Xie, W. et al. Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-state batteries. Nature 598, 590–596 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03885-6
马里兰大学王春生Science：二价金属离子的快速界面电荷转移动力学
马里兰大学王春生教授和美国陆军实验室的Oleg Borodin等人在Science上报道了在二价金属电池中的电解液的最新进展，作者发现，通过加入甲氧乙基胺螯合剂，可以实现Mg和Ca离子的高度可逆沉积，并实现了高能量密度的全电池。
作者证明，Mg2+和Ca2+第一个溶剂鞘中的多齿甲氧乙基胺螯合剂[–(CH2OCH2CH2N)n–]既能实现Mg和Ca阳极高度可逆的沉积与溶解，也可以快速将Mg2+和Ca2+插入（脱出）高压层状氧化物阴极。这些螯合剂对Mg2+的亲和力是传统醚溶剂的6至41倍，但富含螯合剂的溶剂鞘通过重组绕过了能量不利的去溶剂化过程，促进了界面电荷转移动力学，从而减少了阳极和阴极的过电位并消除了伴随的副反应。这些电解质的重组能量可以通过改变螯合剂的介电常数和大小来调整。最终实现了能量密度分别为412 Wh/kg的可充镁金属全电池和471Wh/kg的可充钙金属全电池的稳定和高度可逆循环。
值得注意的是，本篇文章入选的Science当期的封面。
Hou et al., Solvation sheath reorganization enables divalent metal batteries with fast interfacial charge transfer kinetics, Science 374, 172–178 (2021).
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3954
Gerbrand Ceder/王峰Science：钛酸锂为什么这么快？
锂电有三大负极材料，即石墨、硬碳和钛酸锂（Li4Ti5O12），其中钛酸锂主要是用于快充电池，尽管其相对于锂的电位较高，导致电池的电压有所下降，但是它的快充性能非常好，而且在循环过程中不会有析锂的风险，所以其在市场中一直占有一席之地。
Gerbrand Ceder教授和王峰教授等人在Science期刊上发表题为“Kinetic pathways of ionic transport in fast-charging lithium titanate”的研究型论文，目的在于研究钛酸锂具有非凡倍率性能的原因。
▲用于TEM内电池材料操作表征的电化学功能电池的设计
通过使用operando电子能量损失谱实时跟踪Li+迁移，作者发现Li4+xTi5O12中的快速传输是通过沿两相边界的亚稳态中间体中扭曲的锂多面体组成的动力学通路实现的。在起始成分Li4Ti5O12和最终成分Li7Ti5O12之间形成了一个扩散界面，这是锂离子快速移动的原因。该工作表明，通过获得基态以上的能量可以实现高倍率，其动力学机制可能与基态宏观相根本上不同。这个发现可为寻找高倍率电极材料提供新的机会。
Zhang et al., Kinetic pathways of ionic transport in fast-charging lithium titanate. Science 367, 1030–1034 (2020)
https://doi.org/ 10.1126/science.aax352
美国加州大学圣地亚哥分校刘平教授与Shyue Ping Ong教授，加州大学欧文分校Huolin Xin教授和美国阿贡国家实验室陆俊研究员（通讯作者）在Nature上报道了一种无序岩盐Li3+xV2O5作为快充负极材料，能够可逆地循环两个锂离子，且展现出0.6 V的平均电压平台。
与石墨相比，增加的电位降低了充电时金属锂沉积的可能性，缓解了主要的安全问题。
此外，带有无序岩盐Li3V2O5阳极的锂离子电池产生的电池的电压远高于使用商用快充钛酸锂阳极或其他插层阳极（Li3VO4和LiV0.5Ti0.5S2）的电池。此外，无序岩盐Li3V2O5可以进行1000多次充放电，容量衰减微乎其微，并表现出卓越的倍率性能，在20秒内可提供其40%以上的容量。
通过从头算方法，作者将无序岩盐Li3V2O5的低电压和高倍率归因于低能垒的再分配锂插层机制。这种低电位、高倍率的插层反应可用于寻找其他用于快充、长寿命锂离子电池的金属氧化物阳极。
▲原始和锂化的DRS-Li3+xV2O5的电压分布和结构表征
Liu, H., Zhu, Z., Yan, Q. et al. A disordered rock salt anode for fast-charging lithium-ion batteries. Nature 585, 63–67 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2637-6
斯坦福大学教授William C. Chueh、Richard D. Braatz和麻省理工学院Stefano Ermon等人在Nature报告了一种基于机器学习的方法，能够将电池充电测试时间从近两年缩短至16天，缩短了近15倍，有助于加速新型电池的开发进度。
在这里，作者开发并演示了一种机器学习方法，以有效地优化参数空间，指定电流和电压分布的六步，10分钟快速充电协议，以最大限度地提高电池周期寿命，这可以缓解电动汽车用户的里程焦虑。
1. 早期预测模型，通过使用前几个周期的数据预测最终周期寿命来减少每次实验的时间；
2. 贝叶斯优化算法，通过平衡探索和开发来有效探索充电协议的参数空间来减少实验数量。
使用这种方法，作者在16天内在224个候选中快速识别了长周期寿命充电协议（相比之下，如果没有早期预测，使用详尽探索需要超过500天），并随后验证了优化方法的准确性和效率。
该闭环方法会自动纳入过去实验的反馈，为未来的决策提供信息，并可以推广到电池设计中的其他应用，更广泛地说，涉及时间密集型实验和多维设计空间的其他科学领域。
Attia, P.M., Grover, A., Jin, N. et al. Closed-loop optimization of fast-charging protocols for batteries with machine learning. Nature 578, 397–402 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41586-020-1994-5
Clare P. Grey: 高倍率铌钨氧化物负极
英国剑桥大学化学系Clare P. Grey在Nature上报道了一种新型的锂电池负极：铌钨氧化物。
在这项工作中，作者打破了电极材料纳米化和纳米结构的传统策略，以克服糟糕的离子扩散和电子性能。作者证明，使用适当的主体晶格，不需要通常的尺寸、结构或孔隙度标准即可实现实用的高倍率电池电极。相反，使用之前在复杂二元铌氧化物（如低温多态T-Nb2O5）和超离子导体，如锂镧钛氧（LLTO）的研究中获得的见解，来识别表现出有利的Li扩散特性的结构基序，从而获得可实现高倍率使用的微米颗粒。
▲Nb16W5O55和Nb18W16O93的晶体结构和颗粒形貌
作者表明，当多氧化还原态的4d和5d过渡金属与适当的三维氧化物结构一起使用时，可以实现极高的体积能量密度和令人满意的倍率。研究的块体化合物是一系列复杂的“块状”或“青铜样”氧化物结构，主要包括角和边缘共享的NbO6和WO6八面体，这两种氧化物都是通过克级固态合成制备的。
它们不寻常的电化学性能首先通过研究块体结构Nb16W5O55的大型致密颗粒（3-10 µm初级粒子，团聚后10-30 µm）来说明。即使在质量归一化的基础上，在类似的条件下，Nb16W5O55的锂储存性能也超过了此前大量研究的纳米化的Li4Ti5O12、TiO2(B)和T-Nb2O5。与纳米材料相比，晶体结构密度高，散装Nb16W5O55的振实密度高，这导致体积容量异常高。作者通过探索另一种新的电极材料，青铜状Nb18W16O93进一步证明了这种块体现象的普遍性。
Griffith, K.J., Wiaderek, K.M., Cibin, G. et al. Niobium tungsten oxides for high-rate lithium-ion energy storage. Nature 559, 556–563 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0347-0
哈佛大学李鑫教授团队在Nature发表成果，A dynamic stability design strategy for lithium metal solid state batteries。在这里，作者描述了一种固态电池设计，具有界面稳定性（对锂金属响应）的层次结构，以实现无锂枝晶渗透的超高电流密度。
这种多层设计具有夹在更稳定的固体电解质之间的不稳定电解质结构，通过在不太稳定的电解质层中定位良好的不稳定电解质的分解来防止任何锂枝晶的生长。作者提出了一种类似于膨胀螺钉效应的机制，即任何裂纹都由动态生成的分解物填充，这些分解也受到很好的约束，可能是由分解诱导的“锚定”效应填充的。锂金属阳极与LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2阴极的循环性能非常稳定，以20 C倍率（8.6 mA cm-2）10000个循环后，保持82%的容量，以1.5C倍率（0.64 mA cm-2）循环，在2000个周期后的容量保留率为81.3%。
这种设计还使微米级正极材料实现了比功率110.6 kW/kg，比能量高达631.1 Wh/kg。
Ye, L., Li, X. A dynamic stability design strategy for lithium metal solid state batteries. Nature 593, 218–222 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03486-3
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