康奈尔大学工程团队创造了一种新型锂电池，充电时间不超过五分钟，比市场上任何此类电池都要快，同时在延长的充电和放电周期内保持稳定的性能。

这一突破可以缓解驾驶员的“里程焦虑”电动汽车如果不费时充电就无法长途旅行。

康奈尔大学 James A. Friend Family 的林登·阿彻 (Lynden Archer) 表示：“与电池的成本和性能等其他障碍相比，里程焦虑是交通电气化的一个更大障碍，我们已经找到了一种通过合理的电极设计来消除它的途径。”杰出工程教授兼康奈尔大学工程学院院长，负责监督该项目。“如果你能为电动汽车充电电池五分钟内，我的意思是，天哪，你不需要有足够大的电池来行驶 300 英里。你可以接受更少的东西，这可以降低电动汽车的成本，从而实现更广泛的采用。”

这团队论文，“锂电池的快速充电、长时间存储”，发表于 1 月 16 日焦耳。主要作者是化学与生物分子工程博士生金硕。

锂离子电池是电动汽车和智能手机最流行的供电方式之一。这些电池重量轻、可靠且相对节能。然而，它们充电需要几个小时，并且缺乏处理大电流浪涌的能力。

金说：“我们的目标是创建能够以符合日常生活方式充电和放电的电池电极设计。”“实际上，我们希望我们的电子设备能够快速充电并长时间运行。为了实现这一目标，我们已经确定了一种独特的铟阳极材料，它可以与各种阴极材料有效搭配，以创建快速充电和缓慢放电的电池”。

阿彻的实验室之前通过关注离子如何在电解质中移动以及如何在金属阳极界面结晶来进行电池设计，然后利用这些知识来操纵电极形态，以制造更安全的阳极以进行长期存储。

对于他们的新型锂电池，研究人员采取了不同的策略，重点关注电化学反应的动力学，特别采用了称为“丹克勒数”的化学工程概念。这本质上是对化学反应发生速率的衡量，相对于材料传输到反应位点的速率。

确定电池电极材料具有固有的快速固态传输速率，因此具有较低的 Damköhler 数，帮助研究人员确定铟是一种非常有前途的快速充电电池材料。铟是一种软金属，主要用于制造触摸屏显示器和太阳能电池板的氧化铟锡涂层。它还用作低温焊料中铅的替代品。

新研究表明，作为电池阳极，铟具有两个关键特性：极低的迁移能垒，它决定了离子在固态中扩散的速率；和适度的交换电流密度，这与阳极中离子的还原速率有关。这些特性（快速扩散和缓慢的表面反应动力学）的结合对于快速充电和长期存储至关重要。

“关键的创新是我们发现了一种设计原理，允许电池阳极的金属离子自由移动，找到正确的配置，然后才参与电荷存储反应，”阿彻说。“最终的结果是，在每个充电周期中，电极都处于稳定的形态状态。这正是使我们的新型快速充电电池能够重复充电和放电数千个周期的能力。”

该技术与道路上的无线感应充电相结合，将缩小电池的尺寸和成本，使电动交通成为驾驶员更可行的选择。

然而，这并不意味着铟阳极是完美的，甚至是实用的。

“虽然这个结果令人兴奋，因为它教会我们如何获得快速充电电池，但铟很重，”阿彻说。“这其中蕴藏着一个机会计算化学建模，或许使用生成式人工智能工具，以了解哪些其他轻质材料化学物质可能实现同样本质上较低的 Damköhler 数。例如，是否存在我们从未研究过但具有所需特性的金属合金？这就是我满意的地方，因为有一个通用原则在起作用，它允许任何人设计出更好的电池阳极，实现比最先进技术更快的充电速率。”

共同作者包括罗伯特·弗雷德里克·史密斯化学与生物分子工程学院教授 Yong Joo；杨蓉，史密斯学院助理教授；以及博士生高晓思、洪世峰、邓跃和陈鹏宇。