科學(xué)家研制出新型固態(tài)鋰電池

美國科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種新型鋰金屬電池，可以至少充電和放電6000次，這比其他任何固態(tài)電池都要多，并且可以在幾分鐘內完成充電。

這項1月8日發(fā)表在《自然-材料》的研究成果，描述了一種用鋰金屬陽(yáng)極制造固態(tài)電池的新方法，并為研制潛在的革命性電池材料提供了新思路。

“鋰金屬陽(yáng)極電池被認為是電池中的‘圣杯’，因為其容量是商用石墨陽(yáng)極的10倍，可以大大增加電動(dòng)汽車(chē)的行駛距離。”論文通訊作者、美國哈佛大學(xué)工程與應用科學(xué)院副教授李欣(音)說(shuō)，“這項成果是朝著(zhù)更實(shí)用的工業(yè)和商業(yè)固態(tài)電池邁出的重要一步。”

該研究的最大挑戰是在電池陽(yáng)極表面形成的枝晶。這些結構像根一樣生長(cháng)在電解質(zhì)中，刺穿分隔陽(yáng)極和陰極的屏障，導致電池短路甚至起火。

2021年，李欣團隊通過(guò)設計一種多層電池，在陽(yáng)極和陰極之間夾入穩定性不同的材料，提供了一種處理枝晶的方法。這種多層、多材料的設計并非完全阻斷鋰枝晶的生長(cháng)，而是通過(guò)控制和容納來(lái)防止刺穿。

在新研究中，研究團隊通過(guò)在陽(yáng)極中使用微米大小的硅顆粒來(lái)限制鋰化反應，并促進(jìn)鋰金屬層的均勻鍍覆，從而阻止枝晶的形成。

在這種設計中，當鋰離子在充電過(guò)程中從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極時(shí)，鋰化反應在淺表面受到限制，使離子附著(zhù)在硅顆粒的表面，但不會(huì )進(jìn)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)鋰離子電池中，鋰離子通過(guò)深度鋰化反應滲透最終破壞陽(yáng)極中的硅顆粒。

然而在固態(tài)電池中，硅表面的離子被束縛，并經(jīng)歷鋰化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，最終在硅芯周?chē)纬射嚱饘馘儗印?/p>

李欣說(shuō)：“在我們的設計中，鋰金屬包裹在硅顆粒周?chē)?，就像松露巧克力中榛仁周?chē)鷪杂驳那煽肆ν鈿ぁ?rdquo;

正是這些顆粒形成了一個(gè)均勻的表面，使電流密度得以均勻分布，防止枝晶的生長(cháng)。

而且，由于電鍍和剝離可以在均勻的表面快速發(fā)生，這種鋰電池只需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，在6000次循環(huán)后仍能保留80%的容量，優(yōu)于當今市場(chǎng)上的其他固態(tài)電池。

據悉，該團隊還發(fā)現了數十種可能產(chǎn)生類(lèi)似性能的其他材料。“包括銀在內的其他材料可能是固態(tài)電池陽(yáng)極的良好材料。”李欣表示。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41563-023-01722-x