科學(xué)研究：更耐久、更穩(wěn)定的固態(tài)鋰金屬電池

圖片來源：Pixabay

壽命更長、充電更快的電池對于電動汽車市場的擴(kuò)展至關(guān)重要。但現(xiàn)有的鋰離子電池又重又貴，充電還很慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。

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

“因?yàn)榫哂袠O高的容量和能量密度，鋰金屬電池被視為電池化學(xué)的圣杯，但這類電池的穩(wěn)定性一直很差，”哈佛大學(xué)約翰?A?鮑爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science，簡稱SEAS）的材料科學(xué)助理教授Xin Li說。

而現(xiàn)在，Li和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定的鋰金屬電池，在高電流密度下能至少進(jìn)行10000次的充放電，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了此前設(shè)計(jì)的電池能達(dá)到的循環(huán)數(shù)。研究者將這一新的設(shè)計(jì)與商業(yè)化的高能量密度陰極材料進(jìn)行了結(jié)合。

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

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“我們的研究表明，固態(tài)電池可能與目前商用的液體電解質(zhì)鋰離子電池有根本上的不同。通過對它的熱力學(xué)基本性質(zhì)進(jìn)行研究，我們能夠釋放出它的巨大潛能，使它的卓越性能真正發(fā)揮作用?！盠i說。

鋰金屬電池的最大挑戰(zhàn)一直是化學(xué)問題。在充電過程中，鋰離子會從陰極向陽極移動。如果陽極是用鋰金屬制成的，表面上就會產(chǎn)生具有分叉的針狀結(jié)構(gòu)的晶體，稱作枝晶（dendrites）。枝晶會像植物的根須一樣生長到電解質(zhì)中，并刺穿隔開陰極與陽極的屏障，最終導(dǎo)致電池短路甚至起火。

為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，Li和團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種多層的電池結(jié)構(gòu)，在陰極和陽極之間夾置了具有不同穩(wěn)定性的材料。這樣的多層材料并不阻止枝晶的生長，而是通過控制枝晶的生長方式和生長范圍，來防止其穿透整個(gè)固體電解質(zhì)結(jié)構(gòu)。

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這一設(shè)計(jì)可以被想象成一塊三明治：一層面包（鋰金屬陽極）、一層生菜（石墨涂層）、一層西紅柿（第一種電解質(zhì)）、一層培根（第二種電解質(zhì)）、再一層西紅柿（第一種電解質(zhì)），最后再用一層面包（陰極）來完成這一結(jié)構(gòu)。

第一種電解質(zhì)（Li5.5PS4.5Cl1.5，又稱LPSCI）與鋰接觸時(shí)更穩(wěn)定，但容易被枝晶穿透；第二種電解質(zhì)（Li10Ge1P2S12，又稱LGPS）與鋰接觸時(shí)則不穩(wěn)定，但對枝晶的生長具有抗性。通過這樣的設(shè)計(jì)，枝晶能夠生長穿透石墨涂層和第一層電解質(zhì)，但到達(dá)第二層電解質(zhì)時(shí)就會停止。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(zhì)完全穿透而使電池短路。

“使用不穩(wěn)定的材料，反而能讓電池更穩(wěn)定，這似乎違反直覺。但就像螺栓可以控制螺釘穿入墻壁一樣，我們的多層設(shè)計(jì)也可以引導(dǎo)和控制枝晶的生長，”SEAS的研究生，這一研究的合著者Luhan Ye說，“不同的是，我們的‘螺栓’會在第二層處迅速‘變緊’，使得枝晶無法鉆透，停止生長?！盠i補(bǔ)充道。

這一電池還能進(jìn)行自我修復(fù)，利用其化學(xué)性質(zhì)填補(bǔ)被枝晶鉆出的孔。“研究證明了這一概念設(shè)計(jì)的有效性，表明鋰金屬固態(tài)電池可以在商用領(lǐng)域與鋰離子電池競爭。而且，多層設(shè)計(jì)的靈活性和多功能性可以與工業(yè)化的批量生產(chǎn)程序兼容。將其發(fā)展為商用電池并非易事，仍存在一些操作上的挑戰(zhàn)，我們相信能夠克服它們?！盠i說。

翻譯：武大可

編輯：戚譯引

引進(jìn)來源：哈佛大學(xué)約翰?A?鮑爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院

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