锂金属固态电池取得大突破：10 分钟完成充电，可循环至少6000次

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哈佛大学约翰・A・保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的研究人员近日开发了一种新型锂金属固态电池，可以充放电循环至少 6000 次，比任何其他袋式电池都要多，而且可以在几分钟内完成充电。相关研究成果发表在知名学术期刊《自然材料》上。

图源 Pixabay

“锂金属阳极电池被视为电池领域的圣杯，因为它的容量是商用石墨阳极的十倍，可以大幅提高电动汽车的续航里程。”SEAS 材料科学副教授、该研究的资深作者李欣（音译）在一份声明中表示。

然而，这种电池的设计面临着巨大的挑战，那就是阳极表面会形成枝晶。这些枝晶会向电解质生长，刺穿隔膜，导致电池短路甚至起火。

据IT之家了解，枝晶的形成发生在充电过程中，锂离子从阴极移动到阳极，并通过一种称为电镀的过程附着在阳极表面。这种电镀过程会导致阳极表面不均匀，为枝晶的形成创造条件。而在放电过程中，阳极上的锂金属需要被剥离，但由于表面不均匀，剥离过程可能会很慢，形成凹坑，进一步加剧下一次充电的不均匀沉积。

2021 年，李欣团队设计了一种多层电池，在阴极和阳极之间夹杂了不同稳定性的材料。这种多层多材料设计通过控制和限制锂枝晶的生长，防止其穿透隔膜。

在这项新的研究中，李欣团队通过在阳极中使用微米级硅颗粒，成功限制了枝晶的形成。这些硅颗粒能够约束锂化反应，促进锂金属的均匀电镀形成厚层。

在该设计中，当锂离子在充电过程中从阴极移动到阳极时，锂化反应被限制在浅层表面，离子附着在硅颗粒表面而不进一步渗透。这与传统锂离子电池的化学反应截然不同，后者通过深度锂化反应穿透硅颗粒，最终导致其被破坏。

在固态电池中，硅颗粒表面的锂离子受到限制，并经历动态的锂化过程，在硅颗粒核心周围形成锂金属电镀层。这些被电镀的颗粒形成了一个均匀的表面，电流密度均匀分布，防止了枝晶的生长。研究团队表示，由于电镀和剥离过程可以在平坦的表面上快速发生，这种电池可以在约 10 分钟内完成充电。

研究人员构建了一个邮票大小的袋式电池，经过 6,000 次循环后仍能保持 80% 的容量，性能远超目前其他袋式电池技术。这项技术已通过哈佛大学科技发展办公室授权给 Adden Energy 公司，该公司将扩大该技术规模，构建智能手机大小的袋式电池。