研究者们为困扰产业界40年的问题找到了一种解决方案。
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（Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science ，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，在高电流密度下的寿命达到了至少10000次充放电，远远超过了原有设计能达到的循环数。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。“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。锂金属电池的最大挑战一直来自化学问题。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。https://eurekalert.org/pub_releases/2021-05/hjap-als051121.php
论文信息
【标题】A dynamic stability design strategy for lithium metal solid state batteries
【作者】Luhan Ye & Xin Li
【期刊】Nature
【日期】2021 年 5 月 12 日
【doi】http://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03486-3
【链接】https://www.nature.com/articles/s41586-021-03486-3
【摘要】A solid-state electrolyte is expected to suppress lithium (Li) dendrite penetration with high mechanical strength. However, in practice it still remains challenging to realise a lithium metal anode for batteries, because micrometre- or submicrometre-sized cracks in ceramic pellets can frequently be generated during battery assembly or long-time cycling. Once cracks form, lithium dendrite penetration is inevitable. Here we describe a solid-state battery design with a hierarchy of interface stabilities (to lithium metal responses), to achieve an ultrahigh current density with no lithium dendrite penetration. Our multilayer design has the structure of a less-stable electrolyte sandwiched between more-stable solid electrolytes, which prevents any lithium dendrite growth through well localized decompositions in the less stable electrolyte layer. A mechanism analogous to the expansion screw effect is proposed, whereby any cracks are filled by dynamically generated decompositions that are also well constrained, probably by the ‘anchoring’ effect the decompositions induce. The cycling performance of the lithium metal anode paired with a LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 cathode is very stable, with an 82 per cent capacity retention after 10,000 cycles at a 20C rate (8.6 milliamps per centimetre squared) and 81.3 per cent capacity retention after 2,000 cycles at a 1.5C rate (0.64 milliamps per centimetre squared). Our design also enables a specific power of 110.6 kilowatts per kilogram and specific energy up to 631.1 watt hours per kilogram at the micrometre-sized cathode material level.
文章来源：哈佛大学约翰·A·鲍尔森工程与应用科学学院IEEE Spectrum
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