日前，美國哈佛大學工程與應用科學學院（SEAS）研究人員開發出了一種新的鋰金屬電池，它可以充電和放電至少6000次，比任何其他固態電池都多，并且可以在10分鐘內完成充電。
這項發表在《自然—材料》雜志的研究成果，形成了一種用鋰金屬陽極制造固態電池的新方法，并為潛在的革命性電池材料提供了新思路。
“鋰金屬陽極電池被認為是電池的關鍵所在，因為其容量是商用石墨陽極的10倍，可以大大增加電動汽車的行駛距離。”論文高級作者、SEAS副教授Xin Li說，“這次的成果是朝著更實用的工業和商業應用固態電池邁出的重要一步。”
研究最大的挑戰之一是在電池陽極表面形成的枝晶。這些結構像根一樣生長到電解質中，刺穿分隔陽極和陰極的屏障，導致電池短路甚至起火。
2021年，Li團隊通過設計一種多層電池，在陽極和陰極之間夾入不同穩定性的不同材料，提供了一種處理枝晶的方法。這種多層、多材料的設計并非完全阻止鋰枝晶，而是控制其生長來防止刺穿。
在此次新研究中，Li團隊通過在陽極中使用微米大小的硅顆粒來限制鋰化反應，并促進厚鋰金屬層的均勻鍍覆，從而阻止枝晶的形成。
在這種設計中，當鋰離子在充電過程中從陰極移動到陽極時，鋰化反應在淺表面受到限制，離子附著在硅顆粒的表面，但不會進一步滲透。
這與液態鋰離子電池的化學性質明顯不同，在液態鋰電池中，鋰離子穿透深度鋰化反應并最終破壞陽極中的硅顆粒。
但是，在固態電池中，硅表面的離子被束縛，并經歷鋰化的動態過程，在硅芯周圍形成鋰金屬鍍層。
Li解釋：“在我們的設計中，鋰金屬包裹在硅顆粒上，就像巧克力松露中榛子核周圍的硬巧克力外殼。”
正是這些涂層顆粒形成了均勻的表面，電流密度得以均勻分布在表面，防止了枝晶的生長。
而且，由于電鍍和剝離可以在均勻的表面上快速發生，這種鋰電池只需約10分鐘即可完成充電。
研究人員制造了一種郵票大小的固態電池，比大多數大學實驗室制造的紐扣電池大10到20倍。該電池在6000 次循環后仍保留80% 的容量，優于當今市場上的其他固態電池。
該技術通過哈佛技術開發辦公室授權給一家哈佛衍生公司，阿登能源公司（Adden Energy）。該公司已經擴大了這項技術的規模，生產出一種適配智能手機尺寸的固態電池。
據悉，該團隊還分析出了數十種可能產生類似性能的其他材料。“包括銀在內的其他材料可能是固態電池陽極的良好材料。”Li表示。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01722-x
本文鏈接：新型固態電池充電只需十分鐘，循環超6000次http://m.sq15.cn/show-11-2034-0.html
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