近期，美國哈佛大學工程與應用科學學院（Harvard John A. Paulson School Of Engineering And Applied Sciences，簡稱SEAS）的研究人員開發了一種新型鋰金屬電池，可以充放電循環至少6000次，比任何其他袋式電池都要多，而且可以在幾分鐘內完成充電。
這項研究不僅描述了一種用鋰金屬陽極製造固態電池的新方法，而且為這些潛在的革命性電池的材料提供了新的認識。最新研究成果已於近期發表在了《自然材料》雜誌上。
SEAS材料科學副教授、該論文的資深作者Xin Li說，「鋰金屬陽極電池被認為是電池的聖盃，因為它們的容量是商用石墨陽極的十倍，可以大大增加電動汽車的行駛距離。我們的研究是朝著工業和商業應用中更實用的固態電池邁出的重要一步。」
眾所周知，設計這些電池的最大挑戰之一是陽極表面枝晶的形成。這些結構像根一樣生長在電解液中，並刺穿分離陽極和陰極的屏障，導致電池短路甚至著火。
2021年，Li和他的團隊透過設計一種多層電池，在陽極和陰極之間夾入不同穩定性的不同材料，提供了一種處理枝晶的方法。這種多層、多材料的設計不是透過完全阻止鋰枝晶的滲透，而是透過控制和包含它們來阻止鋰枝晶的滲透。
在這項新研究中，該團隊透過在陽極中使用微米大小的矽顆粒來收縮鋰化反應，並促進厚層鋰金屬的均勻電鍍，進而阻止枝晶的形成。
在這種設計中，當鋰離子在充電過程中從陰極移動到陽極時，鋰化反應在淺表面受到限制，離子附著在矽顆粒的表面，但不會進一步滲透。
這與液態鋰離子電池的化學性質明顯不同，液態鋰離子透過深度鋰化反應滲透，最終破壞陽極中的矽顆粒。而在固態電池中，矽表面的離子被壓縮，並經歷鋰化的動態過程，在矽芯周圍形成鋰金屬鍍層。
Li說，「在我們的設計中，鋰金屬被包裹在矽顆粒周圍。這些被塗覆的顆粒形成了一個均勻的表面，電流密度均勻分佈，防止了枝晶的生長。而且，由於電鍍和剝離可以在平坦的表面上快速發生，電池只需10分鐘即可完成充電。」
在實驗中，研究人員製造了一個郵票大小的袋式電池，比大多數大學實驗室製造的硬幣電池大10到20倍。這種電池在6000次循環後仍能保持80%的容量，優於當今市場上的其他袋式電池。
據悉，這項技術已經透過哈佛技術發展辦公室授權給電池技術公司Adden Energy。該公司已將這項技術擴大到製造智慧型手機大小的袋式電池。
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