10分鐘充滿電！哈佛固态電池新突破

固态電池，迎來技術新突破。

隻需要10分鐘，就可充滿電。

并且在充放電循環6000次後，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。

什麼樣的固态電池

目前常見的锂離子電池，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，商業化後大概會更低一點。

這也是為什麼如今的锂離子電池，特别是液态锂離子電池想要增加能量密度、續航裡程，往往有個上限。

是以，能量密度更高的固态電池一直被認為是锂離子電池的終極形态，是當下行業發展的方向。

而固态電池一大熱門負極材料就是锂，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。

另一種負極材料矽，雖然能量比容量更高（4200mAh/g），但在充放電中會産生劇烈體積變化，容易導緻電池失效。

但使用锂電子作為負極有一個最大問題就是锂枝晶，也是電池短路失效、熱失控等嚴重後果的元兇。

雖然固态電池使用固态電解質，對于锂枝晶的生長有一定抑制作用，但各類固态電解質的抑制效果不一，什麼樣的固态電解質是最優解現在也沒個定論。

并且，使用什麼樣的固态電解質也是目前固态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：在锂金屬負極上，增加一層由微米級矽元素（Si）和石墨（G）形成的複合材料的保護層，由此誕生了性能更優的固态電池。

團隊使用鎳钴錳（NMC83），以及SiG複合材料保護的锂金屬制作了一個固态電池包，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，該固态電池在5C的充電和放電倍率下循環，初始容量為125mAh/g。

如圖所示，2000次充放電循環後容量保持率為92%，3000次循環後為88%，6000次循環後仍然為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锂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闆厚度、降低工作壓力以及增加陰極負載進一步提升能量密度。

以上這些資料已經充分證明了該SiG複合材料加入後，固态電池包具有的高性能。

實際上，在固态電池中植入人工固态電解質界面層（SEI），提升固态電池的性能并不是什麼新鮮事，那麼為什麼這樣的SiG材料就能實作性能突破？

材料關鍵：微米級矽顆粒

衆所周知，锂離子電池充放電的過程，就是電池陽極反複得到和失去锂離子的過程（或者說嵌入和脫嵌）。

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

該團隊在實驗過程中發現，在負極锂上增加由微米尺寸的矽構成的複合材料，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，锂離子隻和淺層的矽發生反應：

同時矽顆粒的外形沒有明顯變化：

這意味着微米級的矽顆粒并不會由于矽化反應膨脹，锂化反應得到抑制；同時也不會提供有利于锂枝晶生長的環境，或者說抑制锂枝晶的生長。

并且，在這種材料中，矽-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锂離子的嵌入和脫嵌，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複合材料保護的锂金屬制造的固态電池，放電容量達到5600mAh/G，比理論容量4200mAh/G高出很多。

并且，也由于锂離子的電鍍和剝離可以在平坦的矽表面上快速發生，電池隻需要約10分鐘就可充滿電。

另外，論文中還對材料的锂化反應提出了一種新的衡量标準：每機關有效模量（Keff）的锂化組成（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，锂化反應就會得到有效抑制。是以在固态電池的材料選擇中，可以選擇臨界模量更低的那種。

作者分析了59524種材料條目，發現除了矽以外，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，研究方向包括固态電池、锂金屬陽極、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所學生學位（Postgraduate Degree），在這期間還擔任助理研究員。

Lu Yang大學畢業于華中科技大學電子封裝技術專業，碩士和博士都在聖路易斯華盛頓大學就讀，分别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年大學畢業于清華大學材料科學專業，後直博哈佛，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所學生院的助理研究員。

第四位作者Li Jianyuan是Li Xin實驗室的通路學者。

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年畢業于南京大學實體專業，後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後研究員。

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

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等人共同建立Adden Energy，專注将實驗室結果推進量産落地。

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，推進該技術的量産落地。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确的方向前進，電池的續航裡程沒有那麼重要，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着更高的充電功率。

比如要在5分鐘内要讓容量100kWh的電池充滿電，需要1.2MW的充電功率，還不包括電路損耗，目前的充電基礎設施并不能滿足這樣的需求，是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？

— 完 —

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