蓋世汽車訊  持久、快速充電的電池對于電動汽車市場擴展至關重要，但是當前鋰離子電池由于太重、成本高且充電時間長，已無法滿足該市場的需求。

數(shù)十年來，研究人員一直在嘗試發(fā)掘固態(tài)鋰金屬電池。因為它與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，在相同的體積內(nèi)可容納更多的能量，且充電時間更短。哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）材料科學副教授Xin Li表示：“鋰金屬電池由于其高容量和高能量密度而被認為是電池化學的圣杯，但其穩(wěn)定性卻一直不佳?！?/p>

最近，Li及其團隊設計出一種穩(wěn)定的鋰金屬固態(tài)電池，可在高電流密度下充放電10,000多次，這遠比之前演示的次數(shù)要多。研究人員還將該電池與商業(yè)化高能量密度陰極材料進行配對。

該電池技術可將電動汽車的使用壽命延長至與汽油汽車相同，即10到15年，且無需更換電池。憑借其高電流密度，該電池可在10至20分鐘內(nèi)為電動汽車充滿電。

鋰金屬電池的最大挑戰(zhàn)一直是化學過程。鋰電池在充電過程中將鋰離子從陰極移動到陽極。但若陽極由鋰金屬制成時，其表面上就會形成稱為樹突的針狀結(jié)構。 這些結(jié)構會像根一樣生長到電解質(zhì)中，并刺穿分隔陽極和陰極的屏障，從而導致電池短路甚至著火。

為克服這一難題，Li及其團隊通過在陽極和陰極間夾有不同穩(wěn)定性的不同材料，設計出一種多層電池。這種多層多材料電池可防止鋰樹枝狀晶體的滲透，但并非完全停止其生長，而是通過控制抑制其生長。

（圖片來源：哈佛大學）

可以將電池想像為BLT三明治。首先是面包，即鋰金屬陽極，其次是生菜，即石墨涂層。接下來，一層西紅柿，即第一種電解質(zhì)，一層培根，即第二種電解質(zhì)。最后再加一層西紅柿和一塊面包，即陰極。

第一種電解質(zhì)（化學名稱為Li5.5PS4.5Cl1.5或LPSCI）與鋰相比更穩(wěn)定，但易于發(fā)生樹突穿透。第二種電解質(zhì)（Li10Ge1P2S12或LGPS）對鋰的穩(wěn)定性較差，但對樹突免疫。該設計允許樹枝狀晶體生長穿過石墨和第一種電解質(zhì)，但會在其到達第二種電解質(zhì)時進行阻止。換句話說，樹突通過生菜和番茄繼續(xù)生長，但會停止在培根。培根屏障可防止樹枝狀晶體穿過電池，從而防止電池短路。

論文聯(lián)合作者、SEAS的研究生Luhan Ye表示：“通過采用結(jié)合不穩(wěn)定性策略，可以穩(wěn)定車輛感覺違反直覺，但就像錨可以引導和控制螺釘進入墻壁一樣，我們的多層設計也可以引導和控制樹突的生長?！盠i補充說：“不同之處在于我們的錨固件很快變得太緊，以致無法鉆過樹突，因此樹突就停止生長。”

該電池也可以自我修復：其化學性質(zhì)使其可以回填由樹突造成的孔。Li稱：“這種概念驗證設計表明，鋰金屬固態(tài)電池可以與商用鋰離子電池競爭，多層設計的靈活性和多功能性使其有可能與電池行業(yè)的批量生產(chǎn)程序兼容。將其擴展到商用電池并非易事，仍然存在一些實際挑戰(zhàn)，但我們相信未來可以克服這些挑戰(zhàn)?！?/p>

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