锂电行业新星崛起：稳定的固态锂金属电池

编译 莫庄非

锂离子电池是当前大多数电子设备（包括电动汽车）的能量源泉。不过尽管优势突出、潜力巨大，它的一个固有缺陷不可忽视，那就是锂枝晶：锂电池充电时，锂离子还原，此过程会形成树枝状的金属锂；这些薄薄的、弯弯曲曲的枝状锂片可形成尖头，刺穿电池，导致短路或其他问题。此类情况最终将缩短锂离子电池的使用寿命。而对于研究者来说，解决树枝晶问题就是锂离子电池改进的重要方向。

鉴于此，科学家致力于研究锂枝晶的形成过程，以期制造出更好更耐用的电池。现在，哈佛大学的研究人员表示，他们有了锂枝晶问题的答案：一种由固态金属材料而非锂离子制成的锂金属电池。相比由液体或石墨材料组成的电池，全新的固态锂电池消除了烦人的枝晶，提供了更高的结构稳定性。

图中上层的电解质对锂更稳定，但也更容易导致枝晶出现；下层的电解质对锂更不稳定，但不会引起枝晶。锂枝晶通过石墨和图中上层的电解液生长，但当遇到下层电解液时，它们就停止生长

不妨将此新型电池想象成一个三明治，用此项研究的作者的话说：“我们设计了一种多层结构，将不稳定的电解质层夹在更稳定的固态电解质层之间，这可以防止任何形式的锂枝晶生长。”

以固体材料为主要成分构筑电池是防止枝晶生成的绝佳策略。就机械性能来说，穿透固态电池的阳极要比打破一层金属或陶瓷的薄壳困难许多；而新研究的作者团队表示他们的设计更进一步，从化学层面解释了所有带有“动态生成分解”的裂缝，它们会填充并阻止形成潜在的枝晶。

如果我们把锂离子电池换成锂金属电池，会有什么变化？锂金属电池更轻、动力更强、更耐用……它似乎趋于完美。不幸的是，以往研究者开展针对锂金属电池的实验后发现，它们非常不稳定，容易爆炸。这就是为什么科学家长期以来一直致力于研发稳定的锂金属电池并将其商业化。

减少甚至消除锂枝晶形成对电池设计至关重要，因为把电池中最不稳定的部分清理掉无疑将大大减小任何不良后果出现的可能性。哈佛大学的科学家对他们的电池进行了超过1万次充电循环——对标传统燃油汽车的使用周期——结果发现它在1万次循环后仍能保有82%的容量。这是锂电池领域向前迈出的一大步。

把新型锂电池想象成三明治：锂金属阳极和阴极相当于面包，石墨就是生菜，第一种电解质相当于西红柿，第二种电解质则相当于培根

来自哈佛的新闻稿：

“这种电池技术可将电动汽车的寿命延长至燃油汽车的寿命（10～15年，中间无需更换电池）。电池的高电流密度有望为我们带来10～20分钟即可充满电的电动汽车。”

这对电池和电动汽车的未来意味着什么？如果一切按计划进行，革命性的锂金属电池可以独自打开巨大市场；对于电动汽车来说，电池的成本在数千美元，而锂金属电池带来的更低故障率以及更轻的电池重量将节省大量成本。

哈佛大学的研究人员向媒体表示：“锂金属电池被认为是电池化学的圣杯，它有着很高的容量和能量密度。我们的概念验证设计已经证明，锂金属固态电池能与商用锂离子电池竞争。”

资料来源 Popular Mechanics