長效、快速充電的電池對擴(kuò)大電動汽車市場至關(guān)重要，但今天的鋰離子電池還不能滿足需要，它們太重、太貴，而且充電時間太長。

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。

“鋰金屬電池被認(rèn)為是電池化學(xué)的圣杯，因為它的高容量和能量密度，”哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)材料科學(xué)副教授XinLi說。“但這些電池的穩(wěn)定性一直很差。”

現(xiàn)在，Li和他的團(tuán)隊已經(jīng)設(shè)計了一種穩(wěn)定的鋰金屬固態(tài)電池，它可以在高電流密度下進(jìn)行至少10000次充放電，比之前演示的循環(huán)次數(shù)要多很多。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到15年，而無需更換電池。由于其高電流密度，該電池可以為10到20分鐘內(nèi)充滿電的電動汽車鋪平道路。

這項研究發(fā)表在《自然》雜志上。

他說:“我們的研究表明，固態(tài)電池可能與商用的液體電解質(zhì)鋰離子電池有根本不同。”“通過研究它們的基本熱力學(xué)，我們可以釋放出卓越的性能，利用它們豐富的機(jī)會。”

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)，稱為樹枝狀。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)，李和他的團(tuán)隊設(shè)計了一種多層電池，在陽極和陰極之間夾著不同的穩(wěn)定性材料。這種多層多材料電池不是通過完全阻止鋰枝晶的滲透，而是通過控制和遏制它們。

把電池想象成一個BLT三明治。首先是面包--鋰金屬陽極，然后是生菜--石墨涂層。接下來是一層西紅柿--第一種電解質(zhì)，以及一層培根--第二種電解質(zhì)。最后是另一層西紅柿和最后一塊面包--陰極。

第一種電解質(zhì)（化學(xué)名稱為Li5.5PS4.5Cl1.5或LPSCI）的鋰含量更穩(wěn)定，但容易出現(xiàn)樹枝狀的滲透。第二種電解質(zhì)（化學(xué)名稱為Li10Ge1P2S12或LGPS）對鋰的穩(wěn)定性較差，但似乎對樹突有免疫力。在這種設(shè)計中，樹枝狀物被允許通過石墨和第一種電解質(zhì)生長，但當(dāng)它們到達(dá)第二種電解質(zhì)時被阻止。換句話說，樹突通過生菜和西紅柿生長，但在培根處停止。熏肉屏障阻止了樹突穿過并使電池短路。

"我們?yōu)榱朔€(wěn)定電池而納入不穩(wěn)定性的策略感覺是反直覺的，但就像錨可以引導(dǎo)和控制螺絲釘進(jìn)入墻壁一樣，我們的多層設(shè)計也可以引導(dǎo)和控制樹突的生長，"該論文的共同作者、東南大學(xué)的研究生葉璐菡說。Li補(bǔ)充說："不同的是，我們的錨很快就變得太緊了，樹突無法鉆過，所以樹突的生長被停止了。

該電池也是自我修復(fù)的；它的化學(xué)成分允許它回填樹枝狀物產(chǎn)生的孔。

李說："這種概念驗證設(shè)計表明，鋰金屬固態(tài)電池可以與商用鋰離子電池競爭，而且我們的多層設(shè)計的靈活性和多功能性使它有可能與電池行業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)程序兼容，將其擴(kuò)大到商業(yè)電池并不容易，仍有一些實際的挑戰(zhàn)，但我們相信它們將被克服。"