哈佛大学研发新款锂金属电池 充放电循环可达6000次且只需几分钟即可充满

盖世汽车讯 当地时间1月15日，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，SEAS）的研究人员宣布研发了一款新型锂金属电池，其充放电循环可达6000次（比任何一款软包电池（pouch battery cell）都多），而且只需要几分钟就可以充满电。该项研究不仅阐述了一种采用锂金属阳极制造固态电池的新方法，还为用于此类变革性电池的材料提供了新见解。

电动汽车充电（图片来源：哈佛大学）

SEAS材料科学副教授兼该论文第一作者Xin Li表示：“锂金属阳极电池因容量是石墨阳极电池的十倍，可大大延长电动汽车的续航里程，被认为是富有前景的下一代电池。我们的研究是为工商业应用实现更实用固态电池的重要一步。”

设计此类电池最大的挑战之一是阳极表面会形成枝晶，此类结构像根茎一样长入电解质，刺穿分离阳极和阴极的屏障，导致电池短路甚至起火。

在充电过程中，锂离子从阴极移动到阳极时就形成了枝晶，并在称为电镀的过程中附着在阳极表面。阳极的电镀层会导致不均匀的表面（就像牙上的菌斑一样），还会让枝晶生长。当电池放电时，与菌斑类似的涂层需要从阳极剥离。当电镀层不均匀时，剥离过程可能会很慢，并导致凸坑，进而导致在下一次充电过程引发更不均匀的电镀。

2021年，Li教授及其团队提出了一种处理枝晶的方法，即设计了一款多层电池，将稳定性不一的不同材料夹在阳极和阴极之间。此种多层、多材料设计不会完全阻止锂枝晶穿透电解质，而是可以控制和遏制锂枝晶。

在该项新研究中，Li教授及其团队通过在阳极上采用微米大小的硅颗粒来限制锂化反应，并促进生成均匀的厚锂金属层，以阻止枝晶的形成。

在此种设计中，当锂离子在充电过程中从阴极移至阳极时，锂化反应被抑制在浅层表面，离子会附着在硅粒子的表面，但不会进一步渗透。这与液体锂离子电池的化学性质有明显不同，在液体锂离子电池中，锂离子通过深度锂化反应进行渗透，最终破坏阳极中的硅颗粒。

但是，在固态电池中，硅表面的离子被抑制，并经历动态锂化过程，在硅芯周围形成金属锂镀层。

Li教授表示：“在我们的设计中，金属锂被包裹在硅粒子周围，就像巧克力松露中包裹着榛子核的硬巧克力外壳。”

此类被包裹涂层的粒子创造了一个均匀的表面，电流密度分布均匀，从而阻止了枝晶生长。而且，由于电镀和剥离在均匀表面上会很快完成，因此电池充满电只需要约10分钟。

研究人员给该电池打造了一个邮票大小的软包电芯版本，比大多数大学实验室制造的硬币大小的电芯大10至20倍。该电池在6000次充放电循环后仍保留80%的容量，比如今市场上的其他软包电池表现更优异。该技术已通过哈佛科技发展办公室（Harvard Office of Technology Development）授权给Adden Energy公司。该公司从哈佛大学剥离出来，由Li教授和三位哈佛校友共同创办。如今，该公司扩大了该技术的规模，制造用于智能手机的软包电池。

Li教授及其团队还描述了允许硅限制锂扩散，以推动均匀厚锂层形成的动态过程，然后定义了一个独特的属性描述符来描述这个过程，并计算了所有已知无机材料的属性描述符。在此过程中，该团队还发现了数十种可能产生类似性能的其他材料。

Li教授表示：“以前的研究已经发现，银等其他材料是用作固态电池阳极的好材料，我们的研究解释了这一过程的一种潜在机制，并为识别电池设计的新材料提供了新的途径。”