美國(guó)哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院研究人員開(kāi)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(mǎn)電。該研究不僅描述了一種使用鋰金屬陽(yáng)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(shí)。該研究發(fā)表在新一期《自然·材料》上。

鋰金屬陽(yáng)極電池被認(rèn)為是電池設(shè)計(jì)的發(fā)展方向，因?yàn)樗鼈兊娜萘渴巧逃檬?yáng)極電池的10倍，可大大增加電動(dòng)汽車(chē)的行駛距離。新研究是邁向工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用更實(shí)用固態(tài)電池的重要一步。

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

2021年，團(tuán)隊(duì)曾開(kāi)發(fā)出一種處理枝晶的方法。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種多層電池，將穩(wěn)定性不同的材料夾在陽(yáng)極和陰極之間。但這種設(shè)計(jì)不能完全阻止鋰枝晶的滲透，只是通過(guò)控制和包覆來(lái)盡量防止這種滲透。

團(tuán)隊(duì)此次通過(guò)在陽(yáng)極中使用微米級(jí)的硅顆粒來(lái)限制鋰化反應(yīng)，并促進(jìn)鋰金屬層的均勻電鍍，從而阻止枝晶的形成。在該設(shè)計(jì)中，當(dāng)鋰離子在充電過(guò)程中從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極時(shí)，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(huì)進(jìn)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(dòng)態(tài)過(guò)程，在硅核心周?chē)纬射嚱饘馘儗?。在新設(shè)計(jì)中，這些涂層顆粒形成均勻的表面，阻止了枝晶的生長(zhǎng)。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(mǎn)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)上的其他軟包電池。