哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的研究人员开发了一种新的锂金属电池，可以充电和放电至少6000次，比任何其他软包电池都多，并且可以在几分钟内充电。
该研究不仅描述了一种使用锂金属阳极制造固态电池的新方法，而且还为用于这些潜在革命性电池的材料提供了新的理解。
该研究发布在《自然材料》杂志上。
“锂金属阳极电池被认为是电池的圣杯，因为它们的容量是商用石墨阳极的十倍，可以大大增加电动汽车的行驶距离，”SEAS材料科学副教授、该论文的资深作者Xin Li说。“我们的研究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。
这些电池设计的最大挑战之一是在阳极表面形成枝晶。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，导致电池短路甚至着火。
当锂离子在充电过程中从阴极移动到阳极时，这些枝晶就会形成，在称为电镀的过程中附着在阳极表面。阳极上的镀层会产生不平整、不均匀的表面，就像牙齿上的牙菌斑一样，并允许树突生根。放电时，需要从阳极剥离斑块状涂层，当镀层不均匀时，剥离过程可能会很慢，并导致坑洼，从而在下一次充电时导致更不均匀的镀层。
2021 年，Li 和他的团队提供了一种处理树突的方法，即设计一种多层电池，在阳极和阴极之间夹住不同稳定性的不同材料。这种多层、多材料的设计不是通过完全阻止锂枝晶，而是通过控制和控制它们来防止锂枝晶的渗透。
在这项新研究中，Li和他的团队通过在阳极中使用微米级的硅颗粒来限制锂化反应并促进厚锂金属层的均匀镀层，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，在液态锂离子电池中，锂离子通过深度锂化反应渗透并最终破坏阳极中的硅颗粒。
但是，在固态电池中，硅表面的离子被收缩并经历锂化的动态过程，在硅芯周围形成锂金属镀层。
“在我们的设计中，锂金属被包裹在硅颗粒上，就像巧克力松露中榛子核周围的硬巧克力壳，”李说。
这些涂层颗粒形成一个均匀的表面，电流密度均匀分布在其表面上，防止枝晶生长。而且，由于电镀和剥离可以在平坦的表面上快速进行，因此电池只需大约 10 分钟即可充电。
研究人员制造了一个邮票大小的软包电池版本，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 次循环后仍保留了 80% 的容量，性能优于当今市场上的其他软包电池。该技术已通过哈佛大学技术开发办公室授权给Adden Energy，这是一家由Li和三位哈佛校友共同创立的哈佛衍生公司。该公司已经扩大了该技术的规模，以制造智能手机大小的软包电池。
Li和他的团队还表征了允许硅限制锂扩散的特性，以促进有利于厚锂均匀镀层的动态过程。然后，他们定义了一个独特的属性描述符来描述这样的过程，并计算了所有已知无机材料的过程。在这样做的过程中，该团队揭示了数十种可能产生类似性能的其他材料。
“以前的研究发现，包括银在内的其他材料可以作为固态电池阳极的良好材料，”李说，“我们的研究解释了该过程的一种可能的潜在机制，并为识别电池设计的新材料提供了途径。
该研究由Luhan Ye，Yang Lu，Yichao Wang和Jianyuan Li共同撰写。
