美国科学家开发出一种新型锂金属电池，可以至少充电和放电6000次，这比其他任何固态电池都要多，并且可以在几分钟内完成充电。
这项1月8日发表在《自然-材料》的研究成果，描述了一种用锂金属阳极制造固态电池的新方法，并为研制潜在的革命性电池材料提供了新思路。
“锂金属阳极电池被认为是电池中的‘圣杯’，因为其容量是商用石墨阳极的10倍，可以大大增加电动汽车的行驶距离。”论文通讯作者、美国哈佛大学工程与应用科学院副教授李欣(音)说，“这项成果是朝着更实用的工业和商业固态电池迈出的重要一步。”
该研究的最大挑战是在电池阳极表面形成的枝晶。这些结构像根一样生长在电解质中，刺穿分隔阳极和阴极的屏障，导致电池短路甚至起火。
2021年，李欣团队通过设计一种多层电池，在阳极和阴极之间夹入稳定性不同的材料，提供了一种处理枝晶的方法。这种多层、多材料的设计并非完全阻断锂枝晶的生长，而是通过控制和容纳来防止刺穿。
在新研究中，研究团队通过在阳极中使用微米大小的硅颗粒来限制锂化反应，并促进锂金属层的均匀镀覆，从而阻止枝晶的形成。
在这种设计中，当锂离子在充电过程中从阴极移动到阳极时，锂化反应在浅表面受到限制，使离子附着在硅颗粒的表面，但不会进一步渗透。
这与液态锂离子电池的化学性质明显不同。在液态锂离子电池中，锂离子通过深度锂化反应渗透最终破坏阳极中的硅颗粒。
然而在固态电池中，硅表面的离子被束缚，并经历锂化的动态过程，最终在硅芯周围形成锂金属镀层。
李欣说：“在我们的设计中，锂金属包裹在硅颗粒周围，就像松露巧克力中榛仁周围坚硬的巧克力外壳。”
正是这些颗粒形成了一个均匀的表面，使电流密度得以均匀分布，防止枝晶的生长。
而且，由于电镀和剥离可以在均匀的表面快速发生，这种锂电池只需10分钟即可完成充电。
研究人员制造了一种邮票大小的固态电池，在6000次循环后仍能保留80%的容量，优于当今市场上的其他固态电池。
据悉，该团队还发现了数十种可能产生类似性能的其他材料。“包括银在内的其他材料可能是固态电池阳极的良好材料。”李欣表示。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41563-023-01722-x
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