研究者們為困擾產業界40年的問題找到了一種解決方案。
翻譯 武大可
編輯 戚譯引
壽命更長、充電更快的電池對於電動汽車市場的擴充套件至關重要。但現有的鋰離子電池又重又貴，充電還很慢，遠遠不能滿足需求。
幾十年來，研究者一直在試圖發掘固態鋰金屬電池的潛力。相比相同尺寸的傳統鋰離子電池，前者具有更大的電量，充電所需的時間也更短。
“因為具有極高的容量和能量密度，鋰金屬電池被視為電池化學的聖盃，但這類電池的穩定性一直很差，”哈佛大學約翰·A·鮑爾森工程與應用科學學院（Harvard John A。 Paulson School of Engineering and Applied Science ，簡稱 SEAS）的材料科學助理教授 Xin Li 說。
而現在，Li 和他的團隊設計了一種穩定的鋰金屬電池，在高電流密度下的壽命達到了至少 10000 次充放電，遠遠超過了原有設計能達到的迴圈數。研究者將這一新的設計與商業化的高能量密度陰極材料進行了結合。
這一電池技術可將電動汽車的使用壽命延長到 10 到 15 年之久，與汽油動力車相當，且無需中途更換電池。由於極高的電流密度，充電的速度也得到了加快，有望把充電時間壓縮至 10 到 20 分鐘。
該研究發表在《自然》（Nature）上。
“我們的研究表明，固態電池可能與目前商用的液體電解質鋰離子電池有根本上的不同。透過對它的熱力學基本性質進行研究，我們能夠釋放出它的巨大潛能，使它的卓越效能真正發揮作用。”Li 說。
鋰金屬電池的最大挑戰一直來自化學問題。在充電過程中，鋰離子會從陰極向陽極移動。如果陽極是用鋰金屬製成的，表面上就會產生具有分叉的針狀結構的晶體，稱作枝晶（dendrites）。枝晶會像植物的根鬚一樣生長到電解質中，並刺穿隔開陰極與陽極的屏障，最終導致電池短路甚至起火。
為應對這一挑戰，Li 和團隊設計了一種多層的電池結構，在陰極和陽極之間夾置了具有不同穩定性的材料。這樣的多層材料並不阻止枝晶的生長，而是透過控制枝晶的生長方式和生長範圍，來防止其穿透整個固體電解質結構。
這一設計可以被想象成一塊三明治：一層面包（鋰金屬陽極）、一層生菜（石墨塗層）、一層西紅柿（第一種電解質）、一層培根（第二種電解質）、再一層西紅柿（第一種電解質），最後再用一層面包（陰極）來完成這一結構。
第一種電解質（Li5。5PS4。5Cl1。5，又稱 LPSCI）與鋰接觸時更穩定，但容易被枝晶穿透；第二種電解質（Li10Ge1P2S12，又稱 LGPS）與鋰接觸時則不穩定，但對枝晶的生長具有抗性。透過這樣的設計，枝晶能夠生長穿透石墨塗層和第一層電解質，但到達第二層電解質時就會停止。換句話說，枝晶能穿透生菜和番茄，但不能穿過培根。培根屏障阻止了枝晶將電解質完全穿透而使電池短路。
“使用不穩定的材料，反而能讓電池更穩定，這似乎違反直覺。但就像螺栓可以控制螺釘穿入牆壁一樣，我們的多層設計也可以引導和控制枝晶的生長。”SEAS 的研究生，這一研究的合著者 Luhan Ye 說。“不同的是，我們的‘螺栓’會在第二層處迅速‘變緊’，使得枝晶無法鑽透，停止生長。”Li 補充道。
這一電池還能進行自我修復，利用其化學性質填補被枝晶鑽出的孔。
“研究證明了這一概念設計的有效性，表明鋰金屬固態電池可以在商用領域與鋰離子電池競爭。而且，多層設計的靈活性和多功能性可以與工業化的批次生產程式相容。將其發展為商用電池並非易事，仍存在一些操作上的挑戰，我們相信能夠克服它們。”Li 說。
參考來源：https：//eurekalert。org/pub_releases/2021-05/hjap-als051121。php
論文資訊
【標題】A dynamic stability design strategy for lithium metal solid state batteries
【作者】Luhan Ye & Xin Li
【期刊】Nature
【日期】2021 年 5 月 12 日
【doi】http：//dx。doi。org/10。1038/s41586-021-03486-3
【連結】https：//www。nature。com/articles/s41586-021-03486-3
【摘要】A solid-state electrolyte is expected to suppress lithium （Li） dendrite penetration with high mechanical strength。 However， in practice it still remains challenging to realise a lithium metal anode for batteries， because micrometre- or submicrometre-sized cracks in ceramic pellets can frequently be generated during battery assembly or long-time cycling。 Once cracks form， lithium dendrite penetration is inevitable。 Here we describe a solid-state battery design with a hierarchy of interface stabilities （to lithium metal responses）， to achieve an ultrahigh current density with no lithium dendrite penetration。 Our multilayer design has the structure of a less-stable electrolyte sandwiched between more-stable solid electrolytes， which prevents any lithium dendrite growth through well localized decompositions in the less stable electrolyte layer。 A mechanism analogous to the expansion screw effect is proposed， whereby any cracks are filled by dynamically generated decompositions that are also well constrained， probably by the ‘anchoring’ effect the decompositions induce。 The cycling performance of the lithium metal anode paired with a LiNi0。8Mn0。1Co0。1O2 cathode is very stable， with an 82 per cent capacity retention after 10，000 cycles at a 20C rate （8。6 milliamps per centimetre squared） and 81。3 per cent capacity retention after 2，000 cycles at a 1。5C rate （0。64 milliamps per centimetre squared）。 Our design also enables a specific power of 110。6 kilowatts per kilogram and specific energy up to 631。1 watt hours per kilogram at the micrometre-sized cathode material level。
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