美國發明銦基電池，5分鐘充滿電碾壓現有鋰電，爲何卻無法量產？

美國剛研發出來一種銦基電池，只要5分鐘就能充滿電，超過市面上任何一種電池，而且不會產生鋰枝晶，壽命超長。這是美國能源部資助的項目，據說有潛在的革命性，不過我感覺可能沒戲，因爲這個電池再厲害，受制於一個特殊條件，也基本沒有什麼量產的可能性。

這項研究來自康奈爾大學工程學院院長林登·阿徹領導的團隊，他們的出發點是解決電動汽車的里程焦慮，因爲你要充電幾個小時才能行駛幾百公里，打消了很多人購買電動汽車的意願。如果能找到一種簡單、實用的解決方案來縮短充電時間，比如5分鐘就充滿電，那麼續航短一點，哪怕兩三百公里也就是可以接受的了。

阿徹團隊的方法與衆不同，他們是典型的先理論後實踐，通過電化學反應動力學分析。他們意識到要想充電速度快，就需要找到固態傳輸速率快的電極材料，這就要求材料的第二達姆科勒數要低，達姆科勒數是一個無量綱數，用於描述反應速率與傳輸速率之間的比率。第二達姆科勒數低，意味着電池的電化學反應速率，相對於離子在電極中的擴散速率來說不快，這就意味着充電速度可以更快。

然後事情就很簡單了，研究人員一翻書，咦，有種叫銦的金屬似乎挺符合他們的條件，因爲它具有兩個關鍵的特性，一是極低的遷移能壘，意味着離子在固體中擴散速率很快，可以非常快地充電；二是相對適中的交換電流密度，意味着電池充電時，離子還原速率適中，有助於電池的穩定性和壽命。

科學家們於是利用鋰銦合金製作了電池負極，預計它在非常高的充電速率下，會表現出較高的鋰可逆性，簡而言之就是充放電過程中，鋰離子能有效地在，電極和電解質之間轉移，使電池保持高效的能量轉換和儲存能力。

結果令人驚歎，研究人員選擇不同的正極材料，包括插層材料和轉換材料來和鋰銦負極配對，實驗中這些電池在各種電解質溶劑中都表現出優秀的快充能力，不到5分鐘就可以爲電池充上電。

最關鍵的是，其他負極材料在進行快速充電時，鋰金屬很容易沉積在負極上形成鋰枝晶，導致電池快速老化，甚至帶來安全隱患，一般認爲，鋰離子電池經常快充，可能縮短一半的使用壽命。而這種新型銦基鋰電池，即使進行5分鐘的快充，負極上鋰沉積也很平滑，並且充電數千個循環週期也不會損失多少容量，這已經完全超出想象了。因爲目前廣泛使用的鋰離子電池，其充電週期大約在800到1500次左右，可以跑數十萬公里。如果達到數千次，這意味着電池老化前已可以跑上百萬公里了，遠遠超過了電動汽車的生命週期。

你可能覺得太好了，多麼完美的電池啊，5分鐘就可以充滿電，和加油差不多，以後再也不用里程焦慮了，還可以一電傳三代，這樣的電動汽車終於可以買了。但這只是最初步的研究，而且由於銦基電池的兩大缺陷，它可能永遠無法成爲主流的電動汽車電池。

首先銦是比較重的金屬，密度達7.31克/立方厘米，和鐵差不多，這意味着用它做電池的話，重量會增加很多，從而降低能量密度。然後就是銦在地殼中的含量，和銀、鉍、汞差不多，並且很少以元素或自己的礦存在，目前銦主要來自硫化鋅礦的副產品，少部分來自硫化銅礦，全球一年的產量只有數百噸，潛在產量也只有1300噸/年。而銦探明的儲量也只有數十萬噸，主要分佈在中國、玻利維亞和俄羅斯，而生產則主要是中國和韓國，2019年分別生產了300噸和240噸，佔全球產量760噸的39%和31%，然後是日本和加拿大。這意味着哪怕銦的潛力再大，也沒有可能用它來作主力動力電池，因爲即使價格飛上天，恐怕也無法滿足供應需求。

不過科學家們認爲，雖然他們的突破性設計不太可能一夜間徹底改變電池行業，但這項創新的關鍵，是發現了一種電池設計原理，可以爲其他工程師指明方向，比如用人工智能根據達姆科勒數篩選材料，有可能開發出只需幾分鐘就能充滿電的強大電池。我感覺這種銦基電池雖然難以量產，但在需要疾速充電，或者無線充電的場景，可能還是能夠得到一定的應用。

這項研究發表在1月16日《焦耳》雜誌上。

標題：Fast-charge, long-duration storage in lithium batteries