科學研究：更耐久、更穩定的固態鋰金屬電池

圖片來源：Pixabay

壽命更長、充電更快的電池對於(yu) 電動汽車市場的擴展至關(guan) 重要。但現有的鋰離子電池又重又貴，充電還很慢，遠遠不能滿足需求。

幾十年來，研究者一直在試圖發掘固態鋰金屬電池的潛力。相比相同尺寸的傳(chuan) 統鋰離子電池，前者具有更大的電量，充電所需的時間也更短。

“因為(wei) 具有極高的容量和能量密度，鋰金屬電池被視為(wei) 電池化學的聖杯，但這類電池的穩定性一直很差，”哈佛大學約翰•A•鮑爾森工程與(yu) 應用科學學院（Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science，簡稱SEAS）的材料科學助理教授Xin Li說。

而現在，Li和他的團隊設計了一種穩定的鋰金屬電池，在高電流密度下能至少進行10000次的充放電，遠遠超過了此前設計的電池能達到的循環數。研究者將這一新的設計與(yu) 商業(ye) 化的高能量密度陰極材料進行了結合。

這一電池技術可將電動汽車的使用壽命延長到10到15年之久，與(yu) 汽油動力車相當，且無需中途更換電池。由於(yu) 極高的電流密度，充電的速度也得到了加快，有望把充電時間壓縮至10到20分鍾。該研究發表在《自然》（Nature）上。

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“我們(men) 的研究表明，固態電池可能與(yu) 目前商用的液體(ti) 電解質鋰離子電池有根本上的不同。通過對它的熱力學基本性質進行研究，我們(men) 能夠釋放出它的巨大潛能，使它的卓越性能真正發揮作用。”Li說。

鋰金屬電池的最大挑戰一直是化學問題。在充電過程中，鋰離子會(hui) 從(cong) 陰極向陽極移動。如果陽極是用鋰金屬製成的，表麵上就會(hui) 產(chan) 生具有分叉的針狀結構的晶體(ti) ，稱作枝晶（dendrites）。枝晶會(hui) 像植物的根須一樣生長到電解質中，並刺穿隔開陰極與(yu) 陽極的屏障，最終導致電池短路甚至起火。

為(wei) 應對這一挑戰，Li和團隊設計了一種多層的電池結構，在陰極和陽極之間夾置了具有不同穩定性的材料。這樣的多層材料並不阻止枝晶的生長，而是通過控製枝晶的生長方式和生長範圍，來防止其穿透整個(ge) 固體(ti) 電解質結構。

圖片來源：Pixabay

這一設計可以被想象成一塊三明治：一層麵包（鋰金屬陽極）、一層生菜（石墨塗層）、一層西紅柿（第一種電解質）、一層培根（第二種電解質）、再一層西紅柿（第一種電解質），最後再用一層麵包（陰極）來完成這一結構。

第一種電解質（Li5.5PS4.5Cl1.5，又稱LPSCI）與(yu) 鋰接觸時更穩定，但容易被枝晶穿透；第二種電解質（Li10Ge1P2S12，又稱LGPS）與(yu) 鋰接觸時則不穩定，但對枝晶的生長具有抗性。通過這樣的設計，枝晶能夠生長穿透石墨塗層和第一層電解質，但到達第二層電解質時就會(hui) 停止。換句話說，枝晶能穿透生菜和番茄，但不能穿過培根。培根屏障阻止了枝晶將電解質完全穿透而使電池短路。

“使用不穩定的材料，反而能讓電池更穩定，這似乎違反直覺。但就像螺栓可以控製螺釘穿入牆壁一樣，我們(men) 的多層設計也可以引導和控製枝晶的生長，”SEAS的研究生，這一研究的合著者Luhan Ye說，“不同的是，我們(men) 的‘螺栓’會(hui) 在第二層處迅速‘變緊’，使得枝晶無法鑽透，停止生長。”Li補充道。

這一電池還能進行自我修複，利用其化學性質填補被枝晶鑽出的孔。“研究證明了這一概念設計的有效性，表明鋰金屬固態電池可以在商用領域與(yu) 鋰離子電池競爭(zheng) 。而且，多層設計的靈活性和多功能性可以與(yu) 工業(ye) 化的批量生產(chan) 程序兼容。將其發展為(wei) 商用電池並非易事，仍存在一些操作上的挑戰，我們(men) 相信能夠克服它們(men) 。”Li說。

翻譯：武大可

編輯：戚譯引

引進來源：哈佛大學約翰•A•鮑爾森工程與(yu) 應用科學學院

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