蓋世汽車訊  持久、快速充電的電池對(duì)于電動(dòng)汽車市場(chǎng)擴(kuò)展至關(guān)重要，但是當(dāng)前鋰離子電池由于太重、成本高且充電時(shí)間長(zhǎng)，已無(wú)法滿足該市場(chǎng)的需求。

數(shù)十年來(lái)，研究人員一直在嘗試發(fā)掘固態(tài)鋰金屬電池。因?yàn)樗c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(shí)間更短。哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）材料科學(xué)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(rèn)為是電池化學(xué)的圣杯，但其穩(wěn)定性卻一直不佳?！?/p>

最近，Li及其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(jìn)行配對(duì)。

該電池技術(shù)可將電動(dòng)汽車的使用壽命延長(zhǎng)至與汽油汽車相同，即10到15年，且無(wú)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(dòng)汽車充滿電。

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

為克服這一難題，Li及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)在陽(yáng)極和陰極間夾有不同穩(wěn)定性的不同材料，設(shè)計(jì)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(zhǎng)，而是通過(guò)控制抑制其生長(zhǎng)。

（圖片來(lái)源：哈佛大學(xué)）

可以將電池想像為BLT三明治。首先是面包，即鋰金屬陽(yáng)極，其次是生菜，即石墨涂層。接下來(lái)，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(xué)名稱為L(zhǎng)i5.5PS4.5Cl1.5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(duì)鋰的穩(wěn)定性較差，但對(duì)樹突免疫。該設(shè)計(jì)允許樹枝狀晶體生長(zhǎng)穿過(guò)石墨和第一種電解質(zhì)，但會(huì)在其到達(dá)第二種電解質(zhì)時(shí)進(jìn)行阻止。換句話說(shuō)，樹突通過(guò)生菜和番茄繼續(xù)生長(zhǎng)，但會(huì)停止在培根。培根屏障可防止樹枝狀晶體穿過(guò)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(guò)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(dǎo)和控制螺釘進(jìn)入墻壁一樣，我們的多層設(shè)計(jì)也可以引導(dǎo)和控制樹突的生長(zhǎng)。”Li補(bǔ)充說(shuō)：“不同之處在于我們的錨固件很快變得太緊，以致無(wú)法鉆過(guò)樹突，因此樹突就停止生長(zhǎng)?！?/p>

該電池也可以自我修復(fù)：其化學(xué)性質(zhì)使其可以回填由樹突造成的孔。Li稱：“這種概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)表明，鋰金屬固態(tài)電池可以與商用鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)，多層設(shè)計(jì)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(kuò)展到商用電池并非易事，仍然存在一些實(shí)際挑戰(zhàn)，但我們相信未來(lái)可以克服這些挑戰(zhàn)?！?/p>

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