哈佛大學固態電池新突破：10分鐘滿電！

　　固態電池，迎來技術新突破。

　　只需要10分鐘，就可充滿電。

　　并且在充放電循環6000次后，電池有效容量還有80%，優于市場上任何一款軟包電池。

　　這項新的技術來自哈佛，全華班團隊打造，論文已經發表在Nature子刊Nature Material上。

　　什么樣的固態電池

　　當前常見的鋰離子電池，負極多為石墨材料，優點是工藝成熟，運用廣泛，但缺點是理論比容量不高，為372mAh/g，商業化后大概會更低一點。

　　這也是為什么如今的鋰離子電池，特別是液態鋰離子電池想要增加能量密度、續航里程，往往有個上限。

　　因此，能量密度更高的固態電池一直被認為是鋰離子電池的終極形態，是當下行業發展的方向。

　　而固態電池一大熱門負極材料就是鋰，理論比容量高達3860mAh/g，并且擁有最低的電化學勢(-3.04V)，能更有效吸收和釋放電子，也能對應更廣泛的正極材料。

　　另一種負極材料硅，雖然能量比容量更高(4200mAh/g)，但在充放電中會產生劇烈體積變化，容易導致電池失效。

　　但使用鋰電子作為負極有一個最大問題就是鋰枝晶，也是電池短路失效、熱失控等嚴重后果的元兇。

　　雖然固態電池使用固態電解質，對于鋰枝晶的生長有一定抑制作用，但各類固態電解質的抑制效果不一，什么樣的固態電解質是最優解現在也沒個定論。

　　并且，使用什么樣的固態電解質也是目前固態電池熱門的研究方向之一。

　　對此，該論文的哈佛團隊使用了一種獨特方式：在鋰金屬負極上，增加一層由微米級硅元素（Si）和石墨（G）形成的復合材料的保護層，由此誕生了性能更優的固態電池。

　　團隊使用鎳鈷錳(NMC83)，以及SiG復合材料保護的鋰金屬制作了一個固態電池包，尺寸為28X35平方毫米，遠遠大于一般實驗室使用的紐扣電池的大小(約10倍-20倍)。

　　在25MPa的工作壓力下，該固態電池在5C的充電和放電倍率下循環，初始容量為125mAh/g。

　　如圖所示，2000次充放電循環后容量保持率為92%，3000次循環后為88%，6000次循環后仍然為80%，這個表現優于市場上其他的軟包電池。

　　并且，在不考慮壓力夾具的情況下，該軟包電池的能量密度已經達到218Wh/kg，超過當下主流大部分鋰離子電池的能量密度。

　　并且論文作者表示，未來還能通過減小隔板厚度、降低工作壓力以及增加陰極負載進一步提升能量密度。

　　以上這些數據已經充分證明了該SiG復合材料加入后，固態電池包具有的高性能。

　　實際上，在固態電池中植入人工固態電解質界面層(SEI)，提升固態電池的性能并不是什么新鮮事，那么為什么這樣的SiG材料就能實現性能突破?

　　材料關鍵：微米級硅顆粒

　　眾所周知，鋰離子電池充放電的過程，就是電池陽極反復得到和失去鋰離子的過程(或者說嵌入和脫嵌)。

　　也就是說，如何在電池陽極快速、均勻、穩定地鍍上或剝離鋰，是該電池能否商業化的關鍵。

　　該團隊在實驗過程中發現，在負極鋰上增加由微米尺寸的硅構成的復合材料，恰好可以滿足這一要求。

　　論文通過透射電子顯微鏡(TEM)和能量色散譜(EDS)等技術發現，在電池循環過程中，鋰離子只和淺層的硅發生反應：

　　同時硅顆粒的外形沒有明顯變化：

　　這意味著微米級的硅顆粒并不會由于硅化反應膨脹，鋰化反應得到抑制;同時也不會提供有利于鋰枝晶生長的環境，或者說抑制鋰枝晶的生長。

　　并且，在這種材料中，硅-石墨層提供了一種活躍的3D支架，顆粒之間的空隙區域有利于鋰離子的嵌入和脫嵌，能有效提高電極容量，進一步提高電池的總體容量。

　　論文作者使用硫化電解質，和由SiG復合材料保護的鋰金屬制造的固態電池，放電容量達到5600mAh/G，比理論容量4200mAh/G高出很多。

　　并且，也由于鋰離子的電鍍和剝離可以在平坦的硅表面上快速發生，電池只需要約10分鐘就可充滿電。

　　另外，論文中還對材料的鋰化反應提出了一種新的衡量標準：每單位有效模量(Keff)的鋰化組成(lithiation composition per Kcrit)。

　　論文中指出，每一種材料都有一個相應的臨界模量，超過這個模量，鋰化反應就會得到有效抑制。因此在固態電池的材料選擇中，可以選擇臨界模量更低的那種。

　　作者分析了59524種材料條目，發現除了硅以外，銀和鎂合金也是具有前景的負極材料。

　　論文作者簡介

　　本文團隊為全華班，五位作者均來自哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院，Li Xin實驗室。

　　其中Ye Luhan和Lu Yang對本文作出同等貢獻。

　　Ye Luhan在2022年取得哈佛大學博士學位，研究方向包括固態電池、鋰金屬陽極、電化學等。

　　Lu Yang同樣在2022年在哈佛大學獲得材料工程專業研究生學位(Postgraduate Degree)，在這期間還擔任助理研究員。

　　Lu Yang本科畢業于華中科技大學電子封裝技術專業，碩士和博士都在圣路易斯華盛頓大學就讀，分別是電氣工程專業和材料科學與工程專業。

　　第三位作者Wang Yichao，2017年本科畢業于清華大學材料科學專業，后直博哈佛，在2022年獲得材料科學博士學位，現在是哈佛大學藝術與科學研究生院的助理研究員。

　　第四位作者Li Jianyuan是Li Xin實驗室的訪問學者。

　　本文的通訊作者，Li Xin，目前是哈佛材料科學專業副教授，同時是該實驗室首席研究員。

　　Li Xin在2003年畢業于南京大學物理專業，后在賓夕法尼亞大學取得材料科學與工程博士學位，還在加州理工和麻省理工當過博士后研究員。

　　2015年Li Xin加入哈佛，后建立Li Xin實驗室，之前曾開發出一款壽命周期達1萬次、3分鐘可充滿電的固態電池。

　　不僅在學術研究等方面擁有成績，2021年，Li Xin還和本文作者之一Ye Luhan等人共同創建Adden Energy，專注將實驗室結果推進量產落地。

　　目前，Ye Luhan是Adden Energy的CTO，Lu Yang是Adden Energy的聚合物與電池科學家。

　　上述的SiG材料技術也授權給了Adden Energy，推進該技術的量產落地。據Li Xin透露，公司已經擴大該技術的規模，能夠制造出智能手機大小的軟包電池。

　　對于這項新的技術突破，有網友表示非常不錯。他認為這就是在朝正確的方向前進，電池的續航里程沒有那么重要，充電時間才是關鍵。

　　不過也有網友指出，如此短的充電時間則意味著更高的充電功率。

　　比如要在5分鐘內要讓容量100kWh的電池充滿電，需要1.2MW的充電功率，還不包括電路損耗，當前的充電基礎設施并不能滿足這樣的需求，所以擁有光伏裝置的慢充站才是更好的解決方案。

　　你認為這項技術如何?未來能夠改變動力電池的行業嗎?