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美國哈佛大學工程與應用科學學院研究人員開發(fā)了一種新型鋰金屬電池。該電池可充放電至少 6000 次，比任何其他軟包電池都要多，且可在幾分鐘內就充滿電。該研究不僅描述了一種使用鋰金屬陽極制造固態(tài)電池的新方法，而且還為潛在的革命性電池材料提供了新的認識。該研究發(fā)表在新一期《自然·材料》上。
鋰金屬陽極電池被認為是電池設計的發(fā)展方向，因為它們的容量是商用石墨陽極電池的 10 倍，可大大增加電動汽車的行駛距離。新研究是邁向工業(yè)和商業(yè)應用更實用固態(tài)電池的重要一步。
電池設計中最大的挑戰(zhàn)之一是陽極表面枝晶的形成問題。這些枝晶結構像樹根一樣伸展到電解質中，刺穿分隔陽極和陰極的屏障，導致電池短路甚至著火。
2021 年，團隊曾開發(fā)出一種處理枝晶的方法。他們設計了一種多層電池，將穩(wěn)定性不同的材料夾在陽極和陰極之間。但這種設計不能完全阻止鋰枝晶的滲透，只是通過控制和包覆來盡量防止這種滲透。
團隊此次通過在陽極中使用微米級的硅顆粒來限制鋰化反應，并促進鋰金屬層的均勻電鍍，從而阻止枝晶的形成。在該設計中，當鋰離子在充電過程中從陰極移動到陽極時，鋰化反應被限制在淺表面。離子附著在硅顆粒的表面，但不會進一步滲透。
在固態(tài)電池中，硅表面的離子受到限制并經歷鋰化的動態(tài)過程，在硅核心周圍形成鋰金屬鍍層。在新設計中，這些涂層顆粒形成均勻的表面，阻止了枝晶的生長。而且，由于電鍍和剝離可在平坦的表面上快速發(fā)生，因此電池大約不到 10 分鐘即可充滿電。
研究人員制造了郵票大小的軟包電池版本，它比大多數大學實驗室制造的紐扣電池大 10 到 20 倍。該電池在 6000 次充放電循環(huán)后仍保留 80% 的電池容量，優(yōu)于當今市場上的其他軟包電池。
