鋰電行業新星崛起：穩定的固態鋰金屬電池

編譯 莫莊非

鋰離子電池是當前大多數電子設備（包括電動汽車）的能量源泉。不過盡管優勢突出、潛力巨大，它的一個固有缺陷不可忽視，那就是鋰枝晶：鋰電池充電時，鋰離子還原，此過程會形成樹枝狀的金屬鋰；這些薄薄的、彎彎曲曲的枝狀鋰片可形成尖頭，刺穿電池，導致短路或其他問題。此類情況最終將縮短鋰離子電池的使用壽命。而對于研究者來說，解決樹枝晶問題就是鋰離子電池改進的重要方向。

鑒于此，科學家致力于研究鋰枝晶的形成過程，以期制造出更好更耐用的電池?，F在，哈佛大學的研究人員表示，他們有了鋰枝晶問題的答案：一種由固態金屬材料而非鋰離子制成的鋰金屬電池。相比由液體或石墨材料組成的電池，全新的固態鋰電池消除了煩人的枝晶，提供了更高的結構穩定性。

圖中上層的電解質對鋰更穩定，但也更容易導致枝晶出現；下層的電解質對鋰更不穩定，但不會引起枝晶。鋰枝晶通過石墨和圖中上層的電解液生長，但當遇到下層電解液時，它們就停止生長

不妨將此新型電池想象成一個三明治，用此項研究的作者的話說：“我們設計了一種多層結構，將不穩定的電解質層夾在更穩定的固態電解質層之間，這可以防止任何形式的鋰枝晶生長?！?/p>

以固體材料為主要成分構筑電池是防止枝晶生成的絕佳策略。就機械性能來說，穿透固態電池的陽極要比打破一層金屬或陶瓷的薄殼困難許多；而新研究的作者團隊表示他們的設計更進一步，從化學層面解釋了所有帶有“動態生成分解”的裂縫，它們會填充并阻止形成潛在的枝晶。

如果我們把鋰離子電池換成鋰金屬電池，會有什么變化？鋰金屬電池更輕、動力更強、更耐用……它似乎趨于完美。不幸的是，以往研究者開展針對鋰金屬電池的實驗后發現，它們非常不穩定，容易爆炸。這就是為什么科學家長期以來一直致力于研發穩定的鋰金屬電池并將其商業化。

減少甚至消除鋰枝晶形成對電池設計至關重要，因為把電池中最不穩定的部分清理掉無疑將大大減小任何不良后果出現的可能性。哈佛大學的科學家對他們的電池進行了超過1萬次充電循環——對標傳統燃油汽車的使用周期——結果發現它在1萬次循環后仍能保有82%的容量。這是鋰電池領域向前邁出的一大步。

把新型鋰電池想象成三明治：鋰金屬陽極和陰極相當于面包，石墨就是生菜，第一種電解質相當于西紅柿，第二種電解質則相當于培根

來自哈佛的新聞稿：

“這種電池技術可將電動汽車的壽命延長至燃油汽車的壽命（10～15年，中間無需更換電池）。電池的高電流密度有望為我們帶來10～20分鐘即可充滿電的電動汽車。”

這對電池和電動汽車的未來意味著什么？如果一切按計劃進行，革命性的鋰金屬電池可以獨自打開巨大市場；對于電動汽車來說，電池的成本在數千美元，而鋰金屬電池帶來的更低故障率以及更輕的電池重量將節省大量成本。

哈佛大學的研究人員向媒體表示：“鋰金屬電池被認為是電池化學的圣杯，它有著很高的容量和能量密度。我們的概念驗證設計已經證明，鋰金屬固態電池能與商用鋰離子電池競爭?！?/p>

資料來源 Popular Mechanics