新型固态电池充满电仅需几分钟

美国哈佛大学工程与应用科学学院研究人员开发了一种新型锂金属电池。该电池可充放电至少6000次，比任何其他软包电池都要多，且可在几分钟内就充满电。该研究不仅描述了一种使用锂金属阳极制造固态电池的新方法，而且还为潜在的革命性电池材料提供了新的认识。该研究发表在新一期《自然·材料》上。

锂金属阳极电池被认为是电池设计的发展方向，因为它们的容量是商用石墨阳极电池的10倍，可大大增加电动汽车的行驶距离。新研究是迈向工业和商业应用更实用固态电池的重要一步。

电池设计中最大的挑战之一是阳极表面枝晶的形成问题。这些枝晶结构像树根一样伸展到电解质中，刺穿分隔阳极和阴极的屏障，导致电池短路甚至着火。

2021年，团队曾开发出一种处理枝晶的方法。他们设计了一种多层电池，将稳定性不同的材料夹在阳极和阴极之间。但这种设计不能完全阻止锂枝晶的渗透，只是通过控制和包覆来尽量防止这种渗透。

团队此次通过在阳极中使用微米级的硅颗粒来限制锂化反应，并促进锂金属层的均匀电镀，从而阻止枝晶的形成。在该设计中，当锂离子在充电过程中从阴极移动到阳极时，锂化反应被限制在浅表面。离子附着在硅颗粒的表面，但不会进一步渗透。

在固态电池中，硅表面的离子受到限制并经历锂化的动态过程，在硅核心周围形成锂金属镀层。在新设计中，这些涂层颗粒形成均匀的表面，阻止了枝晶的生长。而且，由于电镀和剥离可在平坦的表面上快速发生，因此电池大约不到10分钟即可充满电。

研究人员制造了邮票大小的软包电池版本，它比大多数大学实验室制造的纽扣电池大10到20倍。该电池在6000次充放电循环后仍保留80%的电池容量，优于当今市场上的其他软包电池。

相信大家都有这种体验，手机或电脑用了一段时间后，电池容量就会下降，电量耗尽的时间也随之变短。锂电池容量下降的一大原因就是锂元素的不可逆损失。阳极表面的枝晶也是一种不可逆的锂化合物，它的生长机制复杂。此次，研究人员用了新的设计，限制锂化反应，防止枝晶生长，使电池充电所需时间缩短。这种新型电池可为更多电动产品赋能，比如研发出大容量、安全且可快速充电的电池就可推动电动车行业的进一步发展。