哈佛大學團隊打造新型固態鋰金屬電池：10-20分鐘為電動汽車充滿電
時間:2021-05-14 10:53來源:前瞻網 作者:綜合報道
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幾十年來，研究人員一直試圖利用固態鋰金屬電池的潛力。與傳統的鋰離子電池相比，固態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。
近日，哈佛大學SEAS學院材料科學副教授李鑫(Xin Li)和他的團隊設計了一種穩定的鋰金屬固態電池，可以在高電流密度下進行至少10000次充放電，遠超之前演示的循環次數。研究人員將這種新設計與一種商用的高能量密度陰極材料配對。
這種電池技術可以將電動汽車的壽命延長至汽油汽車的壽命——10至15年，而無需更換電池。由于其高電流密度，該電池可以在10-20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。鋰電池在充電過程中將鋰離子從陰極轉移到陽極。當陽極由金屬鋰制成時，表面形成針狀結構，稱為枝晶（dendrites）。這些結構像根一樣生長在電解液中，刺穿分隔陽極和陰極的屏障，導致電池短路甚至起火。
為了克服這一挑戰，Li和他的團隊設計了一種多層電池，在正極和負極之間夾有不同的穩定性不同的材料。這種多層、多材料的電池可以阻止鋰枝晶的穿透——不是通過完全阻止它們，而是通過控制和包含它們。
你可以把電池想象成一個三明治：首先是“面包”（鋰金屬陽極），然后是“生菜”（一層石墨）。接下來，夾一層“西紅柿”（第一種電解質）、一層“培根”（第二種電解質）。最后再來一層“西紅柿”和最后一塊面包——陰極。
第一種電解質(化學名稱Li5.5PS4.5Cl1.5或LPSCI)與鋰一起時更穩定，但容易枝晶滲透。第二種電解質(Li10Ge1P2S12或LGPS)與鋰的關系不太穩定，但似乎對枝晶“免疫”。在這種設計中，枝晶被允許通過石墨和第一種電解液生長，但當它們到達第二種電解液時就停止生長。換句話說，枝晶在石墨層和第一種電解質中生長，但在第二種電解質中停止生長。
第二種電解質形成的屏障，阻止了樹突通過并使電池短路。這一設計中，鋰金屬陽極與陰極的循環性能非常穩定，在高電流密度下的壽命超過1萬次循環。
他們打造的鋰金屬固態電池，將有望與商用鋰離子電池相媲美。
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