IT之家 1 月 9 日消息，哈佛大學(xué)約翰?A?保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 (SEAS) 的研究人員近日開發(fā)了一種新型鋰金屬固態(tài)電池，可以充放電循環(huán)至少 6000 次，比任何其他袋式電池都要多，而且可以在幾分鐘內(nèi)完成充電。相關(guān)研究成果發(fā)表在知名學(xué)術(shù)期刊《自然材料》上。
“鋰金屬陽極電池被視為電池領(lǐng)域的圣杯，因為它的容量是商用石墨陽極的十倍，可以大幅提高電動汽車的續(xù)航里程。”SEAS 材料科學(xué)副教授、該研究的資深作者李欣（音譯）在一份聲明中表示。
然而，這種電池的設(shè)計面臨著巨大的挑戰(zhàn)，那就是陽極表面會形成枝晶。這些枝晶會向電解質(zhì)生長，刺穿隔膜，導(dǎo)致電池短路甚至起火。
據(jù)IT之家了解，枝晶的形成發(fā)生在充電過程中，鋰離子從陰極移動到陽極，并通過一種稱為電鍍的過程附著在陽極表面。這種電鍍過程會導(dǎo)致陽極表面不均勻，為枝晶的形成創(chuàng)造條件。而在放電過程中，陽極上的鋰金屬需要被剝離，但由于表面不均勻，剝離過程可能會很慢，形成凹坑，進一步加劇下一次充電的不均勻沉積。
2021 年，李欣團隊設(shè)計了一種多層電池，在陰極和陽極之間夾雜了不同穩(wěn)定性的材料。這種多層多材料設(shè)計通過控制和限制鋰枝晶的生長，防止其穿透隔膜。
在這項新的研究中，李欣團隊通過在陽極中使用微米級硅顆粒，成功限制了枝晶的形成。這些硅顆粒能夠約束鋰化反應(yīng)，促進鋰金屬的均勻電鍍形成厚層。
在該設(shè)計中，當鋰離子在充電過程中從陰極移動到陽極時，鋰化反應(yīng)被限制在淺層表面，離子附著在硅顆粒表面而不進一步滲透。這與傳統(tǒng)鋰離子電池的化學(xué)反應(yīng)截然不同，后者通過深度鋰化反應(yīng)穿透硅顆粒，最終導(dǎo)致其被破壞。
在固態(tài)電池中，硅顆粒表面的鋰離子受到限制，并經(jīng)歷動態(tài)的鋰化過程，在硅顆粒核心周圍形成鋰金屬電鍍層。這些被電鍍的顆粒形成了一個均勻的表面，電流密度均勻分布，防止了枝晶的生長。研究團隊表示，由于電鍍和剝離過程可以在平坦的表面上快速發(fā)生，這種電池可以在約 10 分鐘內(nèi)完成充電。
研究人員構(gòu)建了一個郵票大小的袋式電池，經(jīng)過 6,000 次循環(huán)后仍能保持 80% 的容量，性能遠超目前其他袋式電池技術(shù)。這項技術(shù)已通過哈佛大學(xué)科技發(fā)展辦公室授權(quán)給 Adden Energy 公司，該公司將擴大該技術(shù)規(guī)模，構(gòu)建智能手機大小的袋式電池。
“鋰金屬陽極電池被視為電池領(lǐng)域的圣杯，因為它的容量是商用石墨陽極的十倍，可以大幅提高電動汽車的續(xù)航里程。”SEAS 材料科學(xué)副教授、該研究的資深作者李欣（音譯）在一份聲明中表示。
然而，這種電池的設(shè)計面臨著巨大的挑戰(zhàn)，那就是陽極表面會形成枝晶。這些枝晶會向電解質(zhì)生長，刺穿隔膜，導(dǎo)致電池短路甚至起火。
據(jù)IT之家了解，枝晶的形成發(fā)生在充電過程中，鋰離子從陰極移動到陽極，并通過一種稱為電鍍的過程附著在陽極表面。這種電鍍過程會導(dǎo)致陽極表面不均勻，為枝晶的形成創(chuàng)造條件。而在放電過程中，陽極上的鋰金屬需要被剝離，但由于表面不均勻，剝離過程可能會很慢，形成凹坑，進一步加劇下一次充電的不均勻沉積。
2021 年，李欣團隊設(shè)計了一種多層電池，在陰極和陽極之間夾雜了不同穩(wěn)定性的材料。這種多層多材料設(shè)計通過控制和限制鋰枝晶的生長，防止其穿透隔膜。
在這項新的研究中，李欣團隊通過在陽極中使用微米級硅顆粒，成功限制了枝晶的形成。這些硅顆粒能夠約束鋰化反應(yīng)，促進鋰金屬的均勻電鍍形成厚層。
在該設(shè)計中，當鋰離子在充電過程中從陰極移動到陽極時，鋰化反應(yīng)被限制在淺層表面，離子附著在硅顆粒表面而不進一步滲透。這與傳統(tǒng)鋰離子電池的化學(xué)反應(yīng)截然不同，后者通過深度鋰化反應(yīng)穿透硅顆粒，最終導(dǎo)致其被破壞。
在固態(tài)電池中，硅顆粒表面的鋰離子受到限制，并經(jīng)歷動態(tài)的鋰化過程，在硅顆粒核心周圍形成鋰金屬電鍍層。這些被電鍍的顆粒形成了一個均勻的表面，電流密度均勻分布，防止了枝晶的生長。研究團隊表示，由于電鍍和剝離過程可以在平坦的表面上快速發(fā)生，這種電池可以在約 10 分鐘內(nèi)完成充電。
研究人員構(gòu)建了一個郵票大小的袋式電池，經(jīng)過 6,000 次循環(huán)后仍能保持 80% 的容量，性能遠超目前其他袋式電池技術(shù)。這項技術(shù)已通過哈佛大學(xué)科技發(fā)展辦公室授權(quán)給 Adden Energy 公司，該公司將擴大該技術(shù)規(guī)模，構(gòu)建智能手機大小的袋式電池。
