蓋世汽車訊  持久、快速充電的電池對于電動汽車市場擴展至關重要，但是當前鋰離子電池由于太重、成本高且充電時間長，已無法滿足該市場的需求。

數十年來，研究人員一直在嘗試發掘固態鋰金屬電池。因為它與傳統的鋰離子電池相比，在相同的體積內可容納更多的能量，且充電時間更短。哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）材料科學副教授Xin Li表示：“鋰金屬電池由于其高容量和高能量密度而被認為是電池化學的圣杯，但其穩定性卻一直不佳。”

最近，Li及其團隊設計出一種穩定的鋰金屬固態電池，可在高電流密度下充放電10,000多次，這遠比之前演示的次數要多。研究人員還將該電池與商業化高能量密度陰極材料進行配對。

該電池技術可將電動汽車的使用壽命延長至與汽油汽車相同，即10到15年，且無需更換電池。憑借其高電流密度，該電池可在10至20分鐘內為電動汽車充滿電。

鋰金屬電池的最大挑戰一直是化學過程。鋰電池在充電過程中將鋰離子從陰極移動到陽極。但若陽極由鋰金屬制成時，其表面上就會形成稱為樹突的針狀結構。 這些結構會像根一樣生長到電解質中，并刺穿分隔陽極和陰極的屏障，從而導致電池短路甚至著火。

為克服這一難題，Li及其團隊通過在陽極和陰極間夾有不同穩定性的不同材料，設計出一種多層電池。這種多層多材料電池可防止鋰樹枝狀晶體的滲透，但并非完全停止其生長，而是通過控制抑制其生長。

（圖片來源：哈佛大學）

可以將電池想像為BLT三明治。首先是面包，即鋰金屬陽極，其次是生菜，即石墨涂層。接下來，一層西紅柿，即第一種電解質，一層培根，即第二種電解質。最后再加一層西紅柿和一塊面包，即陰極。

第一種電解質（化學名稱為Li5.5PS4.5Cl1.5或LPSCI）與鋰相比更穩定，但易于發生樹突穿透。第二種電解質（Li10Ge1P2S12或LGPS）對鋰的穩定性較差，但對樹突免疫。該設計允許樹枝狀晶體生長穿過石墨和第一種電解質，但會在其到達第二種電解質時進行阻止。換句話說，樹突通過生菜和番茄繼續生長，但會停止在培根。培根屏障可防止樹枝狀晶體穿過電池，從而防止電池短路。

論文聯合作者、SEAS的研究生Luhan Ye表示：“通過采用結合不穩定性策略，可以穩定車輛感覺違反直覺，但就像錨可以引導和控制螺釘進入墻壁一樣，我們的多層設計也可以引導和控制樹突的生長。”Li補充說：“不同之處在于我們的錨固件很快變得太緊，以致無法鉆過樹突，因此樹突就停止生長。”

該電池也可以自我修復：其化學性質使其可以回填由樹突造成的孔。Li稱：“這種概念驗證設計表明，鋰金屬固態電池可以與商用鋰離子電池競爭，多層設計的靈活性和多功能性使其有可能與電池行業的批量生產程序兼容。將其擴展到商用電池并非易事，仍然存在一些實際挑戰，但我們相信未來可以克服這些挑戰。”

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