盖世汽车讯 电动汽车能否在不牺牲电池寿命的前提下实现快速充电？据外媒报道，韩国科学技术院（KAIST）的一个研究团队利用三维数字孪生技术找到了一种潜在的解决方案。该数字孪生模型能够重现真实电池电极的内部微观结构。他们在《InfoMat》期刊上发表的研究发现，快速充电性能和衰减行为不仅受电极内部材料含量和孔隙空间的影响，还受其分布方式的影响。

图片来源：KAIST

由机械工程系Kang Taek Lee教授领导的研究团队与材料科学与工程系EunAe Cho教授合作，构建了一个基于商用石墨负极微观结构和规格的三维数字孪生模型。利用该模型，研究人员定量分析了快速充电过程中出现的局部衰减机制。

锂离子电池的负极由石墨（用于储存锂）、粘结剂（用于将石墨颗粒粘合在一起）以及充满电解液的孔隙（锂离子在其中移动）组成。充电时，锂离子会进入负极的石墨颗粒中，并嵌入其中储存。

但如果充电速度过快，部分锂离子无法及时进入石墨，而是以金属锂的形式沉积在石墨表面——这种现象称为锂沉积。这类似于停车场入口处车辆拥堵的情况，因为车辆同时到达而无法及时进入。如果这种情况持续下去，会降低电池的性能和寿命。

微观损伤难以追踪

充电过程中，石墨表面会形成一层称为固体电解质界面（SEI）层的薄保护膜。形成良好的SEI层至关重要，但如果SEI层过厚或分布不均，则会降低电池性能。此外，充电过程中锂离子渗入石墨颗粒时，颗粒膨胀并挤压周围材料，从而在电极内部产生机械应力。

这些过程在微观尺度上同时发生，使得实验难以区分它们各自的影响。现有的计算模型主要依赖于电极的平均特性，难以捕捉电极内部复杂的结构和位置依赖性行为。

三维重建真实阳极

为了解决这个问题，研究团队基于实际商用石墨阳极的结构，构建了电池电极的“三维数字孪生”模型。该团队重建了石墨颗粒、将它们粘合在一起的粘合剂以及锂离子穿过的充满电解液的孔隙——所有这些都以三维形式呈现。

利用这个虚拟电极，研究人员改变了电极的厚度、孔隙率和粘合剂的分布，然后模拟快速充电过程，以分析锂离子的运动方式。他们还研究了锂沉积的位置、保护膜的形成方式以及阳极哪些部分承受了集中应力。

粘结剂的分布改变了结果

结果表明，即使总充电容量相近，阳极的内部衰减行为也会因粘结剂和孔隙在电极内部的排列方式而显著不同。

在 50 微米 (μm) 的阳极中，粘结剂分布引起的充电容量差异在 4% 以内——这意味着充电性能几乎没有明显差异。然而，在电极内部，锂离子嵌入的位置以及性能衰减反应发生的位置却存在明显差异。

具体而言，当粘结剂集中在隔膜附近时，锂离子传输的可用孔隙空间减少，导致锂离子更难穿过阳极。这就像道路变窄会造成交通拥堵一样。在这种情况下，与粘结剂均匀分布的阳极相比，集流体附近的锂沉积增加了10%以上。

相反，当粘结剂相对均匀地分布在整个电极中时，锂离子传输更加均匀，保护膜的形成也更加均匀。

更厚的电极提高了性能的竞争力

随着电极厚度的增加，这种差异也越来越大。在厚度为 83 μm 的阳极中，两种粘结剂分布之间的充电容量差异扩大到约 18%。这表明，制造更厚的电极以存储更多能量，不仅需要精心设计材料的用量，还需要精确设计材料在电极内部的排列方式。

孔隙的位置也会影响电极所承受的应力。当孔隙充足时，周围区域可以容纳充电过程中膨胀的石墨颗粒。而当孔隙不足时，石墨颗粒没有足够的膨胀空间，导致应力集中在特定区域。

物理测试前的设计工具

通过这项研究，研究团队提出了一种快速充电锂离子电池的新设计方向：研究人员不应仅仅关注电极中粘合剂和孔隙空间的含量，还应考虑它们的分布位置和方式。

利用三维数字孪生技术，可以在虚拟空间中检查电池内部的潜在问题，而无需手动构建和测试多种电极设计。这种方法有望帮助确定最佳电极结构，从而促进开发充电速度更快、使用寿命更长的电池。

“这项研究的意义在于，它利用三维数字孪生技术揭示了仅凭整体充电性能难以发现的电池内部问题，”Lee说道。他补充说，合理安排电极内部的粘合剂和孔隙空间有助于设计出储能更多、充电速度更快、使用寿命更长的电池。