鋰離子電池從第一次工業化發展至今已有 30 多年，並逐漸發展成為電子裝置、行動通訊、電動車等領域的主流電池技術。
但不容忽視的是，由於其電解液是固-液介面，在迴圈過程中容易出現一系列問題。例如，金屬鋰枝晶生長、電解液膜的形成和電池內部的電化學反應等，這些問題會導致電池效能下降和短路等，限制了電池的迴圈壽命和安全性。
近期，美國哈佛大學教授團隊創新性地提出了一種新方法，以鋰金屬作為負極材料來製備全固態鋰電池。
該方法不僅有效地抑制了鋰金屬的枝晶生長和電解質介面反應層的生長，還顯著提高了電池的迴圈穩定性、能量和功率密度以及安全性。
該電池在 10 毫安電流條件下，實現了 6000 次迴圈後仍保持 80% 的容量，效能顯著高於當今市場上的其他軟包電池。
該團隊展示了軟包電池的塗布工藝，對於未來放大到更大容量的電池具有優勢。該課題組已製造出面積為紐扣電池 10 幾倍，約郵票大小的軟包電池。
圖丨李鑫（來源：）
鋰金屬作為一種高容量的負極材料，具有很高的能量密度，但在傳統電池中迴圈穩定性較差。
該研究透過引入對機械約束具有敏感性的負極材料，從科學原理上為領域提供了全新的認知，助力解決固態電池領域中鋰金屬快速迴圈的問題，為實現高效能、高能量密度的固態電池提供了新思路和新方案。
該技術有望讓固態鋰電池達到高功率從而實現快速充放電，潛在的應用場景包括電動汽車、手機電池、超級跑車、未來的電動飛機等。
圖丨相關論文（來源：Nature Materials）
近日，相關論文以《利用易受約束的負極材料實現金屬鋰在固態電池中的快速迴圈》（）為題發表在 Nature Materials 上[1]。
哈佛大學博士和博士為論文共同第一作者，教授為論文通訊作者。
圖丨矽負極具有顯著的鋰鍍層能力和自限性的、僅僅發生在矽顆粒表面的嵌鋰反應（來源：Nature Materials）
此前，科學家們嘗試將微米矽在商業化鋰離子電池負極中使用，但會造成包括體積膨脹、電極剝落和電解液反應等一系列問題，這些問題會導致電池的效能下降和壽命縮短。
一篇發表在 Science 的論文指出，微米矽可在全固態電池中使用。但領域內仍將它視作為主要進行嵌鋰反應的矽負極。
在經過研究和探索後，教授課題組發現其實它並不是傳統意義上的矽負極，而是提供了矽的骨架供析鋰反應產生鋰金屬在矽顆粒表面的沉積，因此矽並沒有充分地發生嵌鋰反應。
由於矽具有高容量和良好的電化學效能，奈米矽可在一定程度上作為電池負極。然而，傳統的固-液電化學介面會一直髮生嵌鋰反應，因此，微米矽在充放電過程中必然發生體積膨脹，導致電極材料的破裂和失效。
“我們發現一種獨特的現象，即矽在全固態電池的固-固介面上發生非常動態的反應。具體來說，嵌鋰反應只能在非常淺表的矽顆粒上面的發生，並在短時間內轉變為析鋰反應。”表示。
實際上，基於此類負極材料固態電池的迴圈顯著包含了充電過程中鋰金屬在負極顆粒表面上的快速沉積，然後在放電的過程中快速脫出的過程。
圖丨使用易受約束的負極材料進行軟包固態電池的設計，並結合逐層漿料塗布的方法進行全固態電池的組裝。該電池在標準容量迴圈測試中展示了高倍率、高電流密度、高面容量下極長的迴圈穩定性（來源：Nature Materials）
表示：“我們首次展示了矽材料能夠作為鋰金屬負極的骨架在固態電池中使用，這是對固-固介面電化學反應的新認知，在效能上提供了前所未有的高倍率、長時間和安全的迴圈性。”
並且，在 10 分鐘的快速充放電的過程中，並沒有發生鋰枝晶穿刺，迴圈 6000 圈測試條件下效能仍然保持穩定，成功驗證了電池的安全性。
實際上，該課題組早在 2018 年就首先提出了關於固態電池的電化學機械約束的概念。這次又以矽為模式材料，提出了在固-固介面上機械約束敏感性的概念。
基於此，研究人員還預測出可能具有適當的機械約束敏感性的材料，包括鎂合金等在內的新材料家族。 研究人員對 6 萬種化合物進行了預測。
“不侷限 於矽，我們做高通量計算（如下圖），凡是在靠近邊 界的材料皆有可能是作為固態電池的負極材料。” 說。
圖丨對 59524 種負極材料進行的專門為固-固介面反應設計的計算篩選。該計算基於該團隊獨特的約束系綜計算平臺。在由每單位臨界約束值 K crit 所對應的鋰化反應容量（x 軸）以及鋰化反應電壓（y 軸）組成的空間中，高通量計算結果篩選出了適用於固態電池負極的那些處於綠色邊界處、靠近矽（Si）的一批新材料（來源： Nature Materials ）
團隊的研究方向主要包括用於固態鋰和固態鈉離子電池的下一代儲能材料和器件，能源相關材料和器件，非常規超導體等。 據悉，該技術已授權該課題組的初創公司 。
“目前我們已經將該電池進一步發展到手機電池大小，爭取在今年年底前，實現安時級別的軟包電池。如果進展順利，希望在 2025 年進行 10 安時級以上動力電池的應用測試，包括電動汽車、電動割草機等。”表示。
參考資料：
1.Ye, L., Lu, Y., Wang, Y. et al. Fast cycling of lithium metal in solid-state batteries by constriction-susceptible anode materials. Nature Materials (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01722-x
運營/排版：何晨龍
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