美國哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院研究人員開發(fā)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(nèi)就充滿電。該研究不僅描述了一種使用鋰金屬陽極制造固態(tài)電池的新方法，而且還為潛在的革命性電池材料提供了新的認(rèn)識。該研究發(fā)表在新一期《自然·材料》上。

鋰金屬陽極電池被認(rèn)為是電池設(shè)計的發(fā)展方向，因為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(yè)和商業(yè)應(yīng)用更實用固態(tài)電池的重要一步。

電池設(shè)計中最大的挑戰(zhàn)之一是陽極表面枝晶的形成問題。這些枝晶結(jié)構(gòu)像樹根一樣伸展到電解質(zhì)中，刺穿分隔陽極和陰極的屏障，導(dǎo)致電池短路甚至著火。

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

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(yīng)，并促進鋰金屬層的均勻電鍍，從而阻止枝晶的形成。在該設(shè)計中，當(dāng)鋰離子在充電過程中從陰極移動到陽極時，鋰化反應(yīng)被限制在淺表面。離子附著在硅顆粒的表面，但不會進一步滲透。

在固態(tài)電池中，硅表面的離子受到限制并經(jīng)歷鋰化的動態(tài)過程，在硅核心周圍形成鋰金屬鍍層。在新設(shè)計中，這些涂層顆粒形成均勻的表面，阻止了枝晶的生長。而且，由于電鍍和剝離可在平坦的表面上快速發(fā)生，因此電池大約不到10分鐘即可充滿電。

研究人員制造了郵票大小的軟包電池版本，它比大多數(shù)大學(xué)實驗室制造的紐扣電池大10到20倍。該電池在6000次充放電循環(huán)后仍保留80%的電池容量，優(yōu)于當(dāng)今市場上的其他軟包電池。

相信大家都有這種體驗，手機或電腦用了一段時間后，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，它的生長機制復(fù)雜。此次，研究人員用了新的設(shè)計，限制鋰化反應(yīng)，防止枝晶生長，使電池充電所需時間縮短。這種新型電池可為更多電動產(chǎn)品賦能，比如研發(fā)出大容量、安全且可快速充電的電池就可推動電動車行業(yè)的進一步發(fā)展。