新型固態電池充滿電僅需幾分鐘

本文轉自：科技日報

科技日報北京1月10日電 （記者張夢然）美國哈佛大學工程與應用科學學院研究人員開發了一種新型鋰金屬電池。該電池可充放電至少6000次，比任何其他軟包電池都要多，且可在幾分鐘內就充滿電。該研究不僅描述了一種使用鋰金屬陽極製造固態電池的新方法，而且還爲潛在的革命性電池材料提供了新的認識。該研究發表在新一期《自然·材料》上。

鋰金屬陽極電池被認爲是電池設計的發展方向，因爲它們的容量是商用石墨陽極電池的10倍，可大大增加電動汽車的行駛距離。新研究是邁向工業和商業應用更實用固態電池的重要一步。

電池設計中最大的挑戰之一是陽極表面枝晶的形成問題。這些枝晶結構像樹根一樣伸展到電解質中，刺穿分隔陽極和陰極的屏障，導致電池短路甚至着火。

2021年，團隊曾開發出一種處理枝晶的方法。他們設計了一種多層電池，將穩定性不同的材料夾在陽極和陰極之間。但這種設計不能完全阻止鋰枝晶的滲透，只是通過控制和包覆來儘量防止這種滲透。

團隊此次通過在陽極中使用微米級的硅顆粒來限制鋰化反應，並促進鋰金屬層的均勻電鍍，從而阻止枝晶的形成。在該設計中，當鋰離子在充電過程中從陰極移動到陽極時，鋰化反應被限制在淺表面。離子附着在硅顆粒的表面，但不會進一步滲透。

在固態電池中，硅表面的離子受到限制並經歷鋰化的動態過程，在硅核心周圍形成鋰金屬鍍層。在新設計中，這些塗層顆粒形成均勻的表面，阻止了枝晶的生長。而且，由於電鍍和剝離可在平坦的表面上快速發生，因此電池大約不到10分鐘即可充滿電。

研究人員製造了郵票大小的軟包電池版本，它比大多數大學實驗室製造的鈕釦電池大10到20倍。該電池在6000次充放電循環後仍保留80%的電池容量，優於當今市場上的其他軟包電池。

【總編輯圈點】

相信大家都有這種體驗，手機或電腦用了一段時間後，電池容量就會下降，電量耗盡的時間也隨之變短。鋰電池容量下降的一大原因就是鋰元素的不可逆損失。陽極表面的枝晶也是一種不可逆的鋰化合物，它的生長機制複雜。此次，研究人員用了新的設計，限制鋰化反應，防止枝晶生長，使電池充電所需時間縮短。這種新型電池可爲更多電動產品賦能，比如研發出大容量、安全且可快速充電的電池就可推動電動車行業的進一步發展。