Credit:CC0 Public Domain持久、快速充电的电池对于电动汽车市场的扩张至关重要，但如今的锂离子电池并不能满足需求——它们太重、太贵，充电时间也太长。几十年来，研究人员一直试图利用固态锂金属电池的潜力，与传统锂离子电池相比，固态锂金属电池在相同体积下储存的能量更多，充电时间也更短。
哈佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院(SEAS)材料科学副教授李欣说:“锂金属电池因其高容量和高能量密度而被认为是电池化学的圣杯。”。“但这些电池的稳定性一直很差。”
现在，李和他的团队已经设计出了一种稳定的锂金属固态电池，在高电流密度下，可以充电和放电至少10，000次，比之前演示的循环次数多得多。研究人员将新设计与商用高能量密度阴极材料配对。
这种电池技术可以将电动汽车的寿命提高到汽油车的10到15年，而不需要更换电池。凭借其高电流密度，该电池可以为10至20分钟内完全充电的电动汽车铺平道路。
这项研究发表在《自然》杂志上。
“我们的研究表明，固态电池可能与商用液体电解质锂离子电池有根本不同，”李说。"通过研究它们的基本热力学，我们可以释放出卓越的性能，并利用它们丰富的机会."
锂金属电池的最大挑战一直是化学。锂电池在充电过程中将锂离子从阴极移动到阳极。当阳极由锂金属制成时，表面会形成称为枝晶的针状结构。这些结构像根一样生长在电解液中，穿透分隔阳极和阴极的屏障，导致电池短路甚至着火。
为了克服这一挑战，李和他的团队设计了一种多层电池，在阳极和阴极之间夹有不同稳定性的材料。这种多层多材料电池不是通过完全阻止锂枝晶，而是通过控制和抑制它们来防止锂枝晶的渗透。
把电池想象成一个BLT三明治。首先是面包——锂金属阳极——接着是生菜——一层石墨。接下来，一层西红柿——第一种电解质——和一层培根——第二种电解质。最后是另一层西红柿和最后一块面包——阴极。
第一种电解液(化学名Li5.5P 4 . 5 Cl 1.5或LPSCI)与锂更稳定，但容易发生枝晶渗透。第二种电解质(Li10Ge1P2S12或LGPS)对锂不太稳定，但似乎对枝晶免疫。在这种设计中，允许枝晶通过石墨和第一种电解质生长，但是当它们到达第二种电解质时就停止了。换句话说，树突穿过生菜和西红柿生长，但在培根上停止生长。培根屏障阻止树突推进并使电池短路。
该论文的合著者、大学研究生叶路翰(音译)说:“我们采用不稳定性来稳定电池的策略感觉上违反直觉，但就像锚可以引导和控制scr ew进入墙壁一样，我们的多层设计也可以引导和控制枝晶的生长。”。“不同的是，我们的锚很快变得太紧，枝晶无法钻穿，因此枝晶生长停止，”李补充说。
电池也是自愈的；它的化学性质允许它回填枝晶产生的孔洞。
“这种概念验证设计表明，锂金属固态电池可以与商用锂离子电池竞争，”李说。“我们多层设计的灵活性和多功能性使其有可能与电池行业的大规模生产程序兼容。将其扩大到商用电池并不容易，仍然存在一些实际挑战，但我们相信这些挑战会被克服。"
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