在过去的这个国庆假期期间，笔者驾车出游，在高速服务区惊喜的发现已经开始出现充电桩了，这表明随着电动汽车的日渐普及，相关的配套设施也开始逐步增加，这对于提高电动汽车的便利性而言具有重要的意义。提到电动汽车大家首先想到的可能是充电不方便，特别是在长途行驶的过程中，在偏远地区可能数百公里都没有充电设施，这对于电动汽车而言确实是一个非常大的挑战。的确，现阶段由于相关基础设施建设步伐还没有跟上，因此电动汽车的充电确实还面临着一些问题，但是笔者相信随着国家对相关领域投资力度的加大，电动汽车最终会像燃油车一样方便。
随着充电桩数量问题得到解决，我们还需要克服电动车充电时间长的问题，燃油车在加油站加油时间一般在5分钟左右，而电动汽车充电时间动辄一两个小时，短的也要40分钟，这也造成了电动汽车长途旅行非常不方便，解决这一问题就需要动力电池工程师从技术层面提出解决方案。近日美国莱斯大学的TuoWang等人发明了一种由沥青为原材料制成的多孔碳材料作为金属Li的载体，由于多孔碳材料巨大的比表面积（>3000m2／g），从而使得该材料具有优异的倍率性能，在5A/gLi（1.3C）和40A/gLi的电流密度下，其库伦效率可达96%以上。由该材料作为负极的全电池功率密度可达1322W/kg，能量密度可达943Wh/kg，具有非常好的应用前景。
金属锂负极带来的高能量密度的同时，也会带来锂枝晶的问题，解决金属锂枝晶的方法主要有两种：1）形成更加稳定SEI膜；2）将金属Li沉积其他载体上。TuoWang在这里采用的就是第二种方法，一般而言金属Li载体主要有石墨烯、氧化还原石墨烯和铜纳米线网、中空碳纳米球等结构，但是这些结构一般都成本高昂或者工艺复杂，因此难以在实际中应用，而TuoWang利用沥青材料制备的多孔碳材料Asp不仅具有非常高的比表面积，还具有非常低廉的成本和简单的制备工艺，非常适合作为金属Li的载体。
为了制备多孔碳材料首先需要将沥青在400℃下进行高温处理，除去其内部所含有的石油成分，然后利用KOH对其进行活化，从而在其表面产生大量的孔洞，从而显著的提高材料的比表面积（详细的制备过程可以参考原文）。由于上述工艺制备的多孔碳材料由于比表面积大，因此金属锂会沉积在其表面形成镀层，而不是行程金属Li枝晶。
将上述材料制备的Asp-GNRs材料添加导电性更好的石墨烯纳米带GNRs，然后涂布在铜箔的表面，然后组装成半电池，通过控制沉积时间，将Li：C控制在1:5左右，半电池的充放电库伦效率如下图a所示，可以看到Asp-GNRs材料的库伦非常高，从1.3C到10.4C库伦效率都在95.4%以上。从图b和图c可以看到，无论是在2.6C还是在10.4C下，Asp-GNRs材料的极化都要明显低于裸露的铜箔。SEM图像也显示，在2.6C倍率下长期循环（30次）后，金属Li仍然能够在其表面均匀的形成镀层，而没有形成枝晶。TuoWang认为这主要是因为在多孔碳Asp-GNRs表面含有较多的含氧官能团，从而保证材料和电解液界面具有很好的润湿性，从而使得其巨大的比表面积都能够参与到Li的沉积中，从而降低电流密度，减小电极极化。
TuoWang还利用上述的半电池进行了循环测试，在2.5mA/cm2的电流密度下循环505次，电池的平均库伦效率达到99%，从下图a中可以看到在经过了150次循环后，电池的库伦效率变的更加稳定，这主要是因为材料中的一些引起副反应的物质逐步消耗，以及SEI膜的逐渐稳定。
通过提高Li的负载量可以有效的提高负极的面容量密度，下图a为Li：C=1:5，比容量为643mAh/g，图b为1:2，比容量为1287mAh/g，图c为1:1，比容量为1930mAh/g，从图上可以看到提高Li负载量后，多孔碳Asp-GNRs材料仍然保持了很高的库伦效率和循环性能。
在上述实验中很重要的一点是TuoWang在多孔碳材料Asp中添加了石墨烯纳米带GNRs材料作为导电剂，以增强Asp材料的导电性，这一点在低倍率（0.65C和1.3C）下并不明显，但是在较高的倍率下（2.6C图c，5.2C图d）就能观察到较明显的差距，特别是在5.2C倍率下，仅仅循环15次左右就能在库伦效率上观察到明显的区别。通过SEM研究发现，在5.2C大倍率下，没有添加GNRs的负极材料的表层出现了金属Li枝晶，而在添加了GNRs的电极上则没有观察到这一现象。
下图为TuoWang利用Asp-GNRs材料作为负极，硫碳混合物（S-C）材料作为正极制备的全电池的测试数据。从图a中我们可以看到，在0.1，0.2，0.5，1和2C倍率下，材料的比容量分别达到720，690，655，613和559mAh/g，表现出了非常好的倍率性能。在0.5C的倍率下循环100次容量保持旅可达92%，远高于使用裸露铜箔负极的对照组。全电池的功率密度可达1322W/kg，能量密度可达943Wh/kg。
TuoWang利用沥青制备的多孔碳Asp材料作为金属Li的载体，有效的克服了锂枝晶的问题，相比于传统的金属锂载体，如石墨烯、中空碳纳米球等材料不仅具有制备工艺简单的优势，其制备成本还非常低廉，非常适合作为金属锂的载体使用。Asp材料的比表面积很高，因此赋予了其优异的倍率性能，使其能够在大电流下进行工作，充电速度比传统的锂离子电池快10倍以上，对于快充电池的发展具有很重要的意义。
原标题：充电5分钟，行驶1000公里不再是梦——快充锂离子电池研究取得进展
