日前，美国哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）研究人员开发出了一种新的锂金属电池，它可以充电和放电至少6000次，比任何其他固态电池都多，并且可以在10分钟内完成充电。
这项发表在《自然—材料》杂志的研究成果，形成了一种用锂金属阳极制造固态电池的新方法，并为潜在的革命性电池材料提供了新思路。
“锂金属阳极电池被认为是电池的关键所在，因为其容量是商用石墨阳极的10倍，可以大大增加电动汽车的行驶距离。”论文高级作者、SEAS副教授Xin Li说，“这次的成果是朝着更实用的工业和商业应用固态电池迈出的重要一步。”
研究最大的挑战之一是在电池阳极表面形成的枝晶。这些结构像根一样生长到电解质中，刺穿分隔阳极和阴极的屏障，导致电池短路甚至起火。
2021年，Li团队通过设计一种多层电池，在阳极和阴极之间夹入不同稳定性的不同材料，提供了一种处理枝晶的方法。这种多层、多材料的设计并非完全阻止锂枝晶，而是控制其生长来防止刺穿。
在此次新研究中，Li团队通过在阳极中使用微米大小的硅颗粒来限制锂化反应，并促进厚锂金属层的均匀镀覆，从而阻止枝晶的形成。
在这种设计中，当锂离子在充电过程中从阴极移动到阳极时，锂化反应在浅表面受到限制，离子附着在硅颗粒的表面，但不会进一步渗透。
这与液态锂离子电池的化学性质明显不同，在液态锂电池中，锂离子穿透深度锂化反应并最终破坏阳极中的硅颗粒。
但是，在固态电池中，硅表面的离子被束缚，并经历锂化的动态过程，在硅芯周围形成锂金属镀层。
Li解释：“在我们的设计中，锂金属包裹在硅颗粒上，就像巧克力松露中榛子核周围的硬巧克力外壳。”
正是这些涂层颗粒形成了均匀的表面，电流密度得以均匀分布在表面，防止了枝晶的生长。
而且，由于电镀和剥离可以在均匀的表面上快速发生，这种锂电池只需约10分钟即可完成充电。
研究人员制造了一种邮票大小的固态电池，比大多数大学实验室制造的纽扣电池大10到20倍。该电池在6000 次循环后仍保留80% 的容量，优于当今市场上的其他固态电池。
该技术通过哈佛技术开发办公室授权给一家哈佛衍生公司，阿登能源公司（Adden Energy）。该公司已经扩大了这项技术的规模，生产出一种适配智能手机尺寸的固态电池。
据悉，该团队还分析出了数十种可能产生类似性能的其他材料。“包括银在内的其他材料可能是固态电池阳极的良好材料。”Li表示。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01722-x
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