鋰電行業(yè)新星崛起：穩(wěn)定的固態(tài)鋰金屬電池

編譯 莫莊非

鋰離子電池是當(dāng)前大多數(shù)電子設(shè)備（包括電動(dòng)汽車）的能量源泉。不過盡管優(yōu)勢突出、潛力巨大，它的一個(gè)固有缺陷不可忽視，那就是鋰枝晶：鋰電池充電時(shí)，鋰離子還原，此過程會(huì)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(dǎo)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(jìn)的重要方向。

鑒于此，科學(xué)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。現(xiàn)在，哈佛大學(xué)的研究人員表示，他們有了鋰枝晶問題的答案：一種由固態(tài)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(tài)鋰電池消除了煩人的枝晶，提供了更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖中上層的電解質(zhì)對鋰更穩(wěn)定，但也更容易導(dǎo)致枝晶出現(xiàn)；下層的電解質(zhì)對鋰更不穩(wěn)定，但不會(huì)引起枝晶。鋰枝晶通過石墨和圖中上層的電解液生長，但當(dāng)遇到下層電解液時(shí)，它們就停止生長

不妨將此新型電池想象成一個(gè)三明治，用此項(xiàng)研究的作者的話說：“我們設(shè)計(jì)了一種多層結(jié)構(gòu)，將不穩(wěn)定的電解質(zhì)層夾在更穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)層之間，這可以防止任何形式的鋰枝晶生長。”

以固體材料為主要成分構(gòu)筑電池是防止枝晶生成的絕佳策略。就機(jī)械性能來說，穿透固態(tài)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(tuán)隊(duì)表示他們的設(shè)計(jì)更進(jìn)一步，從化學(xué)層面解釋了所有帶有“動(dòng)態(tài)生成分解”的裂縫，它們會(huì)填充并阻止形成潛在的枝晶。

如果我們把鋰離子電池?fù)Q成鋰金屬電池，會(huì)有什么變化？鋰金屬電池更輕、動(dòng)力更強(qiáng)、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(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，它們非常不穩(wěn)定，容易爆炸。這就是為什么科學(xué)家長期以來一直致力于研發(fā)穩(wěn)定的鋰金屬電池并將其商業(yè)化。

減少甚至消除鋰枝晶形成對電池設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因?yàn)榘央姵刂凶畈环€(wěn)定的部分清理掉無疑將大大減小任何不良后果出現(xiàn)的可能性。哈佛大學(xué)的科學(xué)家對他們的電池進(jìn)行了超過1萬次充電循環(huán)——對標(biāo)傳統(tǒng)燃油汽車的使用周期——結(jié)果發(fā)現(xiàn)它在1萬次循環(huán)后仍能保有82%的容量。這是鋰電池領(lǐng)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(dāng)于面包，石墨就是生菜，第一種電解質(zhì)相當(dāng)于西紅柿，第二種電解質(zhì)則相當(dāng)于培根

來自哈佛的新聞稿：

“這種電池技術(shù)可將電動(dòng)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(dòng)汽車。”

這對電池和電動(dòng)汽車的未來意味著什么？如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，革命性的鋰金屬電池可以獨(dú)自打開巨大市場；對于電動(dòng)汽車來說，電池的成本在數(shù)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(jié)省大量成本。

哈佛大學(xué)的研究人員向媒體表示：“鋰金屬電池被認(rèn)為是電池化學(xué)的圣杯，它有著很高的容量和能量密度。我們的概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)已經(jīng)證明，鋰金屬固態(tài)電池能與商用鋰離子電池競爭?！?/p>

資料來源 Popular Mechanics