时代新型锂离子电池项目新材料获得突破，实现6分钟充电60%

惠廷厄姆是锂离子电池的“鼻祖”，同时也是诺贝尔化学奖得主。从锂的发现到锂离子电池问世40余年来，一直困扰业界的难题是无论何种设备，首次充电前电池能量容量就已损失约五分之一。惠廷厄姆研究团队解决了这一难题，新型涂层能够在一开始就防止这些电池能量容量损失，而且通过铌(Nb)处理提高了倍率性能，实现长期循环稳定性，250次循环后容量保持率达93%。

1817年，在化学家约恩斯·雅各布·贝尔塞柳斯实验室工作的约翰·奥古斯特·阿韦德松分析透锂长石时检测到一种新元素的存在。由于是在矿石中发现了这种新元素，贝尔塞柳斯以希腊语“lithos”(石头)将其命名为“锂”。

石头听起来很重，但锂是最轻的固体元素。实际上，瑞典化学家们并没有发现纯的金属锂，而是以盐的形式发现了锂离子。1821年，威廉·托马斯·布兰德通过电解氧化锂首次分离出元素锂。

同所有碱金属一样，元素锂具有高度反应性，并且远离空气储存。纯锂是一种非常不稳定的元素，必须储存在石油中，防止它与空气发生反应。锂的弱点是它的反应性，但这恰恰也是它的优势。

上世纪七十年代后期，迈克尔·斯坦利·惠廷厄姆首次提出了可充电锂离子电池的概念，他在研发首个功能性锂电池时，利用锂的巨大驱动力释放外层电子。

1980年，约翰·古迪纳夫为电池注入了更强大的潜力。1985年，吉野彰成功地从电池中消除纯锂，采用锂离子作为材料，比纯锂更安全。

2019年，惠廷厄姆和约翰·班尼斯特·古迪纳夫及吉野彰被授予诺贝尔化学奖，以表彰三人在锂离子电池领域的杰出贡献。

然而，纵使是惠廷厄姆也无法预料到锂离子电池为全世界便携式电子设备提供动力的同时复杂棘手的材料科学难题也一直困扰着业界。

据宁德时代消息，12月19日上午，庆祝厦门经济特区建设40周年重大项目集中开竣工暨时代新型锂离子电池项目开工仪式在厦门举行。

时代新型锂离子电池项目(一期)位于火炬高新区同翔高新城洪塘北片区地块，总投资70亿元，总建筑面积约71万平方米，拟建设新型锂离子电池动力电池生产基地。

厦门市市长黄文辉表示，时代新型锂离子电池项目的开工建设，对于加快厦门市产业转型升级、推进经济高质量发展具有重要意义。厦门将全力支持宁德时代在厦进一步做大做强，一如既往地提供优质高效的服务保障，营造良好的营商环境，与宁德时代携手在厦打造新能源产业集群高地。

宁德时代联合创始人、副董事长李平表示，宁德时代将聚合核心资源和能力，以及全球灯塔工厂建设经验，力争将项目打造成为全球领先的绿色工厂、智慧工厂、数字工厂。同时，宁德时代还将积极为厦门新能源产业发展引入上下游产业链资源，不断提升技术创新和产业协作力度，助力厦门成为我国新能源产业的重要一极，为厦门市以更高水平建设高颜值生态花园之城添砖加瓦，为建设“清新福建”贡献力量。

为缩短电动汽车充电时间，科学家们一直在积极寻找新方案。近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队与姚宏斌、倪勇教授团队合作，致力于解决锂离子电池高能量密度与快充性能之间的矛盾，提出并制备出一种新型双梯度石墨负极材料，实现了锂离子电池在6分钟内充电 60%。相关成果近日发表于《科学进展》。高能量密度与快充性能是一对矛盾，当前，锂离子电池驱动的电动汽车因其节能、环保受到人们青睐。然而，电动汽车的充电时间远长于传统燃油汽车的加油时间，大大降低了使用体验感。

“这主要是因为锂离子电池中石墨负极较差的倍率性能，限制了电动汽车的快速充电能力。”论文共同第一作者、中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心特任副研究员卢磊磊向《中国科学报》解释。能量密度、功率密度是评价电池系统的两个重要参数。能量密度决定着单位质量/体积下可以储存的能量大小，而功率密度则决定着电池充放的倍率。理想状态下，这两项参数越高，锂离子电池性能越好。然而，高能量密度与快充性能是一对矛盾，是一个“此起彼伏”的过程。卢磊磊说，“高能量密度通常意味着电池单体活性物质载量比较高，电极比较厚，从而具有较长的锂离子传输路径，限制充放电倍率。”因此，为提高石墨负极的倍率性能，传统的策略通常是将石墨电极做到多孔或变薄。 “但是，这些方法往往就会牺牲所制备电池的能量密度。”卢磊磊坦言。有没有一种解决方案，能够实现高能量密度与快充性能“鱼与熊掌”的兼得?俞书宏团队决定从设计电极结构入手，在保证能量密度的情况下提升锂离子电池的快充性能。

给石墨颗粒“排队”加快充电速度，研究团队首先构建了一种新型粒子级理论模型，用于同时优化电极结构中粒度分布和电极孔隙率分布两个参数，提高石墨负极的快充性能。卢磊磊介绍，传统的二维模型通常简化颗粒为均质球形以及孔隙均匀分布。事实上，石墨颗粒多是大小不一、形状不同，通常以相当随机的顺序排列。同时孔的形状和大小也非均匀分布。

而新型粒子级理论模型是基于真实的石墨颗粒构建出的三维模型，与现实的电极结构很接近。在粒子级理论模型中，研究人员按照石墨颗粒大小的顺序重新“排队”，同时调整电极孔隙率大小分布。具体表现为，越接近电池顶部的石墨颗粒更小，孔隙率更高，越接近底部颗粒更大，孔隙率更低。“我们将这种结构称之为双梯度电极。”卢磊磊说，模拟计算结果表明，在大电流密度充电条件下，这种新结构相对于传统的随机均质电极以及单梯度电极，展现出了优异的快充性能。理想的结构模型已找到，接下来就是如何在电极中实现。传统的电极制备方法中，由于浆料黏度很高，制备的石墨浆料稳定，不易发生沉降。因此制备出的电极，包括石墨颗粒大小和孔隙率大小通常都是均匀分布。卢磊磊说，“就像速溶奶粉，取任何一部分都是均质的。”

如何构筑一种“异质”结构?研究团队开发了一种低粘度无聚合物粘结剂浆料自组装技术，混合铜包覆的石墨负极颗粒以及铜纳米线于乙醇溶液中制成浆料，利用不同尺寸颗粒石墨在浆料中沉降速度差异性，成功构建出模拟计算优化的双梯度结构，得到电极。