美國科學家開發出一種新型鋰金屬電池，可以至少充電和放電6000次，這比其他任何固態電池都要多，并且可以在幾分鐘內完成充電。

這項1月8日發表在《自然-材料》的研究成果，描述了一種用鋰金屬陽極制造固態電池的新方法，并為研制潛在的革命性電池材料提供了新思路。

“鋰金屬陽極電池被認為是電池中的‘圣杯’，因為其容量是商用石墨陽極的10倍，可以大大增加電動汽車的行駛距離。”論文通訊作者、美國哈佛大學工程與應用科學院副教授李欣(音)說，“這項成果是朝著更實用的工業和商業固態電池邁出的重要一步。”

該研究的最大挑戰是在電池陽極表面形成的枝晶。這些結構像根一樣生長在電解質中，刺穿分隔陽極和陰極的屏障，導致電池短路甚至起火。

2021年，李欣團隊通過設計一種多層電池，在陽極和陰極之間夾入穩定性不同的材料，提供了一種處理枝晶的方法。這種多層、多材料的設計并非完全阻斷鋰枝晶的生長，而是通過控制和容納來防止刺穿。

在新研究中，研究團隊通過在陽極中使用微米大小的硅顆粒來限制鋰化反應，并促進鋰金屬層的均勻鍍覆，從而阻止枝晶的形成。

在這種設計中，當鋰離子在充電過程中從陰極移動到陽極時，鋰化反應在淺表面受到限制，使離子附著在硅顆粒的表面，但不會進一步滲透。

這與液態鋰離子電池的化學性質明顯不同。在液態鋰離子電池中，鋰離子通過深度鋰化反應滲透最終破壞陽極中的硅顆粒。

然而在固態電池中，硅表面的離子被束縛，并經歷鋰化的動態過程，最終在硅芯周圍形成鋰金屬鍍層。

李欣說：“在我們的設計中，鋰金屬包裹在硅顆粒周圍，就像松露巧克力中榛仁周圍堅硬的巧克力外殼。”

正是這些顆粒形成了一個均勻的表面，使電流密度得以均勻分布，防止枝晶的生長。

而且，由于電鍍和剝離可以在均勻的表面快速發生，這種鋰電池只需10分鐘即可完成充電。

研究人員制造了一種郵票大小的固態電池，在6000次循環后仍能保留80%的容量，優于當今市場上的其他固態電池。

據悉，該團隊還發現了數十種可能產生類似性能的其他材料。“包括銀在內的其他材料可能是固態電池陽極的良好材料。”李欣表示。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41563-023-01722-x