10分鐘充滿電！哈佛固態(tài)電池新突破

曹原 2024-01-22 08:51:02 來源：量子位

曹原 發(fā)自 副駕寺

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固態(tài)電池，迎來技術(shù)新突破。

只需要10分鐘，就可充滿電。

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

這項(xiàng)新的技術(shù)來自哈佛，全華班團(tuán)隊(duì)打造，論文已經(jīng)發(fā)表在Nature子刊Nature Material上。

什么樣的固態(tài)電池

當(dāng)前常見的鋰離子電池，負(fù)極多為石墨材料，優(yōu)點(diǎn)是工藝成熟，運(yùn)用廣泛，但缺點(diǎn)是理論比容量不高，為372mAh/g，商業(yè)化后大概會更低一點(diǎn)。

這也是為什么如今的鋰離子電池，特別是液態(tài)鋰離子電池想要增加能量密度、續(xù)航里程，往往有個(gè)上限。

因此，能量密度更高的固態(tài)電池一直被認(rèn)為是鋰離子電池的終極形態(tài)，是當(dāng)下行業(yè)發(fā)展的方向。

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

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

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

雖然固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì)，對于鋰枝晶的生長有一定抑制作用，但各類固態(tài)電解質(zhì)的抑制效果不一，什么樣的固態(tài)電解質(zhì)是最優(yōu)解現(xiàn)在也沒個(gè)定論。

并且，使用什么樣的固態(tài)電解質(zhì)也是目前固態(tài)電池?zé)衢T的研究方向之一。

對此，該論文的哈佛團(tuán)隊(duì)使用了一種獨(dú)特方式：在鋰金屬負(fù)極上，增加一層由微米級硅元素（Si）和石墨（G）形成的復(fù)合材料的保護(hù)層，由此誕生了性能更優(yōu)的固態(tài)電池。

團(tuán)隊(duì)使用鎳鈷錳（NMC83），以及SiG復(fù)合材料保護(hù)的鋰金屬制作了一個(gè)固態(tài)電池包，尺寸為28X35平方毫米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般實(shí)驗(yàn)室使用的紐扣電池的大?。s10倍-20倍）。

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

如圖所示，2000次充放電循環(huán)后容量保持率為92%，3000次循環(huán)后為88%，6000次循環(huán)后仍然為80%，這個(gè)表現(xiàn)優(yōu)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(jīng)達(dá)到218Wh/kg，超過當(dāng)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(fù)載進(jìn)一步提升能量密度。

以上這些數(shù)據(jù)已經(jīng)充分證明了該SiG復(fù)合材料加入后，固態(tài)電池包具有的高性能。

實(shí)際上，在固態(tài)電池中植入人工固態(tài)電解質(zhì)界面層（SEI），提升固態(tài)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(shí)現(xiàn)性能突破？

材料關(guān)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(fù)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(wěn)定地鍍上或剝離鋰，是該電池能否商業(yè)化的關(guān)鍵。

該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在負(fù)極鋰上增加由微米尺寸的硅構(gòu)成的復(fù)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(shù)發(fā)現(xiàn)，在電池循環(huán)過程中，鋰離子只和淺層的硅發(fā)生反應(yīng)：

同時(shí)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(yīng)膨脹，鋰化反應(yīng)得到抑制；同時(shí)也不會提供有利于鋰枝晶生長的環(huán)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(qū)域有利于鋰離子的嵌入和脫嵌，能有效提高電極容量，進(jìn)一步提高電池的總體容量。

論文作者使用硫化電解質(zhì)，和由SiG復(fù)合材料保護(hù)的鋰金屬制造的固態(tài)電池，放電容量達(dá)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(fā)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(yīng)提出了一種新的衡量標(biāo)準(zhǔn)：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(gè)相應(yīng)的臨界模量，超過這個(gè)模量，鋰化反應(yīng)就會得到有效抑制。因此在固態(tài)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(fā)現(xiàn)除了硅以外，銀和鎂合金也是具有前景的負(fù)極材料。

論文作者簡介

本文團(tuán)隊(duì)為全華班，五位作者均來自哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，Li Xin實(shí)驗(yàn)室。

其中Ye Luhan和Lu Yang對本文作出同等貢獻(xiàn)。

Ye Luhan在2022年取得哈佛大學(xué)博士學(xué)位，研究方向包括固態(tài)電池、鋰金屬陽極、電化學(xué)等。

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

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

第三位作者Wang Yichao，2017年本科畢業(yè)于清華大學(xué)材料科學(xué)專業(yè)，后直博哈佛，在2022年獲得材料科學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)在是哈佛大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)研究生院的助理研究員。

第四位作者Li Jianyuan是Li Xin實(shí)驗(yàn)室的訪問學(xué)者。

本文的通訊作者，Li Xin，目前是哈佛材料科學(xué)專業(yè)副教授，同時(shí)是該實(shí)驗(yàn)室首席研究員。

Li Xin在2003年畢業(yè)于南京大學(xué)物理專業(yè)，后在賓夕法尼亞大學(xué)取得材料科學(xué)與工程博士學(xué)位，還在加州理工和麻省理工當(dāng)過博士后研究員。

2015年Li Xin加入哈佛，后建立Li Xin實(shí)驗(yàn)室，之前曾開發(fā)出一款壽命周期達(dá)1萬次、3分鐘可充滿電的固態(tài)電池。

不僅在學(xué)術(shù)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(chuàng)建Adden Energy，專注將實(shí)驗(yàn)室結(jié)果推進(jìn)量產(chǎn)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(xué)家。

上述的SiG材料技術(shù)也授權(quán)給了Adden Energy，推進(jìn)該技術(shù)的量產(chǎn)落地。據(jù)Li Xin透露，公司已經(jīng)擴(kuò)大該技術(shù)的規(guī)模，能夠制造出智能手機(jī)大小的軟包電池。

對于這項(xiàng)新的技術(shù)突破，有網(wǎng)友表示非常不錯(cuò)。他認(rèn)為這就是在朝正確的方向前進(jìn)，電池的續(xù)航里程沒有那么重要，充電時(shí)間才是關(guān)鍵。

不過也有網(wǎng)友指出，如此短的充電時(shí)間則意味著更高的充電功率。

比如要在5分鐘內(nèi)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(dāng)前的充電基礎(chǔ)設(shè)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(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)如何？未來能夠改變動(dòng)力電池的行業(yè)嗎？