更耐久、更稳定的固态锂金属电池

寿命更长、充电更快的电池对于电动汽车市场的扩展至关重要。但现有的锂离子电池又重又贵，充电还很慢，远远不能满足需求。

几十年来，研究者一直在试图发掘固态锂金属电池的潜力。相比相同尺寸的传统锂离子电池，前者具有更大的电量，充电所需的时间也更短。

“因为具有极高的容量和能量密度，锂金属电池被视为电池化学的圣杯，但这类电池的稳定性一直很差，”哈佛大学约翰·A·鲍尔森工程与应用科学学院（简称SEAS）的材料科学助理教授Xin Li说。

而现在，Li和他的团队设计了一种稳定的锂金属电池，在高电流密度下能至少进行10000次的充放电，远远超过了此前设计的电池能达到的循环数。研究者将这一新的设计与商业化的高能量密度阴极材料进行了结合。

这一电池技术可将电动汽车的使用寿命延长到10到15年之久，与汽油动力车相当，且无需中途更换电池。由于极高的电流密度，充电的速度也得到了加快，有望把充电时间压缩至10到20分钟。该研究发表在《自然》（Nature）上。

“我们的研究表明，固态电池可能与目前商用的液体电解质锂离子电池有根本上的不同。通过对它的热力学基本性质进行研究，我们能够释放出它的巨大潜能，使它的卓越性能真正发挥作用。”Li说。

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锂金属电池的最大挑战一直是化学问题。在充电过程中，锂离子会从阴极向阳极移动。如果阳极是用锂金属制成的，表面上就会产生具有分叉的针状结构的晶体，称作枝晶（dendrites）。枝晶会像植物的根须一样生长到电解质中，并刺穿隔开阴极与阳极的屏障，最终导致电池短路甚至起火。

为应对这一挑战，Li和团队设计了一种多层的电池结构，在阴极和阳极之间夹置了具有不同稳定性的材料。这样的多层材料并不阻止枝晶的生长，而是通过控制枝晶的生长方式和生长范围，来防止其穿透整个固体电解质结构。

这一设计可以被想象成一块三明治：一层面包（锂金属阳极）、一层生菜（石墨涂层）、一层西红柿（第一种电解质）、一层培根（第二种电解质）、再一层西红柿（第一种电解质），最后再用一层面包（阴极）来完成这一结构。

第 一 种 电 解 质（Li5.5PS4.5Cl1.5，又称LPSCI）与锂接触时更稳定，但容易被枝晶穿透；第二种电解质（Li10Ge1P2S12，又称LGPS）与锂接触时则不稳定，但对枝晶的生长具有抗性。通过这样的设计，枝晶能够生长穿透石墨涂层和第一层电解质，但到达第二层电解质时就会停止。换句话说，枝晶能穿透生菜和番茄，但不能穿过培根。培根屏障阻止了枝晶将电解质完全穿透而使电池短路。

“使用不稳定的材料，反而能让电池更稳定，这似乎违反直觉。但就像螺栓可以控制螺钉穿入墙壁一样，我们的多层设计也可以引导和控制枝晶的生长，”SEAS的研究生，这一研究的合著者Luhan Ye说，“不同的是，我们的‘螺栓’会在第二层处迅速‘变紧’，使得枝晶无法钻透，停止生长。”Li补充道。

这一电池还能进行自我修复，利用其化学性质填补被枝晶钻出的孔。“研究证明了这一概念设计的有效性，表明锂金属固态电池可以在商用领域与锂离子电池竞争。而且，多层设计的灵活性和多功能性可以与工业化的批量生产程序兼容。将其发展为商用电池并非易事，仍存在一些操作上的挑战，我们相信能够克服它们。”Li说。