日前，美國哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）研究人員開發(fā)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(tài)電池都多，并且可以在10分鐘內(nèi)完成充電。
這項發(fā)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(tài)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(guān)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(yè)和商業(yè)應(yīng)用固態(tài)電池邁出的重要一步。”
研究最大的挑戰(zhàn)之一是在電池陽極表面形成的枝晶。這些結(jié)構(gòu)像根一樣生長到電解質(zhì)中，刺穿分隔陽極和陰極的屏障，導(dǎo)致電池短路甚至起火。
2021年，Li團隊通過設(shè)計一種多層電池，在陽極和陰極之間夾入不同穩(wěn)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(shè)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(yīng)，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(shè)計中，當(dāng)鋰離子在充電過程中從陰極移動到陽極時，鋰化反應(yīng)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(tài)鋰離子電池的化學(xué)性質(zhì)明顯不同，在液態(tài)鋰電池中，鋰離子穿透深度鋰化反應(yīng)并最終破壞陽極中的硅顆粒。
但是，在固態(tài)電池中，硅表面的離子被束縛，并經(jīng)歷鋰化的動態(tài)過程，在硅芯周圍形成鋰金屬鍍層。
Li解釋：“在我們的設(shè)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(fā)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(tài)電池，比大多數(shù)大學(xué)實驗室制造的紐扣電池大10到20倍。該電池在6000 次循環(huán)后仍保留80% 的容量，優(yōu)于當(dāng)今市場上的其他固態(tài)電池。
該技術(shù)通過哈佛技術(shù)開發(fā)辦公室授權(quán)給一家哈佛衍生公司，阿登能源公司（Adden Energy）。該公司已經(jīng)擴大了這項技術(shù)的規(guī)模，生產(chǎn)出一種適配智能手機尺寸的固態(tài)電池。
據(jù)悉，該團隊還分析出了數(shù)十種可能產(chǎn)生類似性能的其他材料。“包括銀在內(nèi)的其他材料可能是固態(tài)電池陽極的良好材料。”Li表示。
