續(xù)航時間長、充電速度快的電池，對電動汽車市場的普及擴張至關(guān)重要，但如今的鋰離子電池?zé)o法滿足需求——它們太重、太貴、充電時間太長。
幾十年來，研究人員一直試圖利用固態(tài)鋰金屬電池的潛力。與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，固態(tài)鋰金屬電池在相同體積下，能儲存更多的能量，充電時間更短。
近日，哈佛大學(xué)SEAS學(xué)院材料科學(xué)副教授李鑫(Xin Li)和他的團隊設(shè)計了一種穩(wěn)定的鋰金屬固態(tài)電池，可以在高電流密度下進(jìn)行至少10000次充放電，遠(yuǎn)超之前演示的循環(huán)次數(shù)。研究人員將這種新設(shè)計與一種商用的高能量密度陰極材料配對。
這種電池技術(shù)可以將電動汽車的壽命延長至汽油汽車的壽命——10至15年，而無需更換電池。由于其高電流密度，該電池可以在10-20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(xué)。鋰電池在充電過程中將鋰離子從陰極轉(zhuǎn)移到陽極。當(dāng)陽極由金屬鋰制成時，表面形成針狀結(jié)構(gòu)，稱為枝晶（dendrites）。這些結(jié)構(gòu)像根一樣生長在電解液中，刺穿分隔陽極和陰極的屏障，導(dǎo)致電池短路甚至起火。
為了克服這一挑戰(zhàn)，Li和他的團隊設(shè)計了一種多層電池，在正極和負(fù)極之間夾有不同的穩(wěn)定性不同的材料。這種多層、多材料的電池可以阻止鋰枝晶的穿透——不是通過完全阻止它們，而是通過控制和包含它們。
你可以把電池想象成一個三明治：首先是“面包”（鋰金屬陽極），然后是“生菜”（一層石墨）。接下來，夾一層“西紅柿”（第一種電解質(zhì)）、一層“培根”（第二種電解質(zhì)）。最后再來一層“西紅柿”和最后一塊面包——陰極。
第一種電解質(zhì)(化學(xué)名稱Li5.5PS4.5Cl1.5或LPSCI)與鋰一起時更穩(wěn)定，但容易枝晶滲透。第二種電解質(zhì)(Li10Ge1P2S12或LGPS)與鋰的關(guān)系不太穩(wěn)定，但似乎對枝晶“免疫”。在這種設(shè)計中，枝晶被允許通過石墨和第一種電解液生長，但當(dāng)它們到達(dá)第二種電解液時就停止生長。換句話說，枝晶在石墨層和第一種電解質(zhì)中生長，但在第二種電解質(zhì)中停止生長。
第二種電解質(zhì)形成的屏障，阻止了樹突通過并使電池短路。這一設(shè)計中，鋰金屬陽極與陰極的循環(huán)性能非常穩(wěn)定，在高電流密度下的壽命超過1萬次循環(huán)。
他們打造的鋰金屬固態(tài)電池，將有望與商用鋰離子電池相媲美。