哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的研究人员开发了一种新型锂金属电池，该电池可充放电至少 6,000 次（比任何其他软包电池都要多），并且可以在短时间内充电分钟。
该研究不仅描述了一种使用锂金属阳极制造固态电池的新方法，而且还为这些潜在革命性电池所用的材料提供了新的认识。
该研究发表在《自然材料》杂志上。
锂金属阳极电池被认为是电池的圣杯，因为它们的容量是商用石墨阳极的十倍，可以大大增加电动汽车的行驶距离，该研究是迈向工业和商业应用更实用的固态电池的重要一步。
这些电池设计中最大的挑战之一是阳极表面枝晶的形成。这些结构像根一样生长到电解质中，刺穿分隔阳极和阴极的屏障，导致电池短路甚至着火。
当锂离子在充电过程中从阴极移动到阳极时，这些枝晶就会形成，并在称为电镀的过程中附着在阳极表面。阳极上的电镀会产生不均匀、不均匀的表面，就像牙齿上的牙菌斑一样，并允许树突扎根。放电时，需要从阳极剥离该斑块状涂层，当电镀不均匀时，剥离过程可能会很慢，并导致坑洼，从而在下一次充电时引发更不均匀的电镀。
2021年，研究团队提供了一种处理枝晶的方法，他们设计了一种多层电池，将不同稳定性的不同材料夹在阳极和阴极之间。这种多层、多材料设计不是通过完全阻止锂枝晶的渗透，而是通过控制和包含它们来防止锂枝晶的渗透。
在这项新研究中，研究团队通过在阳极中使用微米级的硅颗粒来限制锂化反应并促进厚厚的锂金属层的均匀电镀，从而阻止枝晶的形成。
硅阳极具有显着的锂电镀能力。a，室温下，Li/石墨–Li 5.5 PS 4.5 Cl 1.5 (LPSCl1.5)–LGPS–LPSCl1.5–SiG电池中的Li放电曲线，电流密度为0.2 mA cm –2 。请注意，SiG 是通过将 Si 和石墨混合在一个复合层中制成的。插图显示了基于 SEM 和 EDS 映射的阶段 1-3 的示意图，说明了在图 1 和 2 中实验观察到的固态电池中独特的 Li-Si 阳极演化。图 1 和 2.b，SiG 阳极在不同放电状态 (i)、(ii) 和 (iii) 下的 FIB-SEM 图像，分别对应于 a 中的点 1-3。c，(i)、(ii) 和 (iii) 的 SEM-EDS 映射，对应于 b 中的 SEM 图像，其中碳信号 (C) 来自石墨，氧 (O) 和氮 (N) 信号来自 Li金属与空气和氟（F）的反应来自PTFE粘合剂。d，EC/DMC-SiG 中采用 Li-1M LiPF6 电池结构的电池的放电曲线。示意图说明了液体电解质电池中典型硅阳极的演化过程。e，d 所示液体电解质电池放电后 SiG 阳极的 FIB-SEM 图像 (i)；放大图像 (ii)。图片来源：《自然材料》（2024）。DOI：10.1038/s41563-023-01722-x
在该设计中，当锂离子在充电过程中从阴极移动到阳极时，锂化反应被限制在浅表面，离子附着在硅颗粒的表面，但不会进一步渗透。这与液态锂离子电池的化学性质明显不同，在液态锂离子电池中，锂离子通过深度锂化反应渗透并最终破坏阳极中的硅颗粒。
但是，在固态电池中，硅表面的离子受到限制并经历锂化的动态过程，在硅核心周围形成锂金属镀层。
在该设计中，锂金属包裹在硅颗粒周围，就像松露巧克力中榛子核周围的硬巧克力壳一样，这些涂层颗粒形成均匀的表面，电流密度均匀分布在该表面上，从而防止枝晶的生长。而且，由于电镀和剥离可以在平坦的表面上快速发生，因此电池只需大约 10 分钟即可充电。
研究人员制造了邮票大小的软包电池版本，它比大多数大学实验室制造的纽扣电池大 10 到 20 倍。该电池在 6,000 次循环后仍保留 80% 的容量，优于当今市场上的其他软包电池。
该技术已通过哈佛技术开发办公室授权给阿登能源公司（Adden Energy），这是一家哈佛衍生公司，由李和三名哈佛校友共同创立。该公司已扩大了该技术的规模，以制造智能手机大小的软包电池。
李和他的团队还表征了硅限制锂扩散的特性，以促进有利于均匀镀厚锂的动态过程。然后，他们定义了一个独特的属性描述符来描述这一过程，并针对所有已知的无机材料进行了计算。在此过程中，该团队发现了数十种其他可能产生类似性能的材料。
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