鋰離子電池從第一次工業化發展至今已有 30 多年，并逐漸發展成為電子設備、移動通信、電動車等領域的主流電池技術。
但不容忽視的是，由于其電解液是固-液界面，在循環過程中容易出現一系列問題。例如，金屬鋰枝晶生長、電解液膜的形成和電池內部的電化學反應等，這些問題會導致電池性能下降和短路等，限制了電池的循環壽命和安全性。
近期，美國哈佛大學李鑫教授團隊創新性地提出了一種新方法，以鋰金屬作為負極材料來制備全固態鋰電池。
該方法不僅有效地抑制了鋰金屬的枝晶生長和電解質界面反應層的生長，還顯著提高了電池的循環穩定性、能量和功率密度以及安全性。
該電池在 10 毫安電流條件下，實現了 6000 次循環后仍保持 80% 的容量，性能顯著高于當今市場上的其他軟包電池。
該團隊展示了軟包電池的涂布工藝，對于未來放大到更大容量的電池具有優勢。該課題組已制造出面積為紐扣電池 10 幾倍，約郵票大小的軟包電池。
鋰金屬作為一種高容量的負極材料，具有很高的能量密度，但在傳統電池中循環穩定性較差。
該研究通過引入對機械約束具有敏感性的負極材料，從科學原理上為領域提供了全新的認知，助力解決固態電池領域中鋰金屬快速循環的問題，為實現高性能、高能量密度的固態電池提供了新思路和新方案。
該技術有望讓固態鋰電池達到高功率從而實現快速充放電，潛在的應用場景包括電動汽車、手機電池、超級跑車、未來的電動飛機等。
近日，相關論文以《利用易受約束的負極材料實現金屬鋰在固態電池中的快速循環》（Fast cycling of lithium metal in solid-state batteries by constriction-susceptible anode materials）為題發表在 Nature Materials 上[1]。
哈佛大學葉露涵博士和陸洋博士為論文共同第一作者，李鑫教授為論文通訊作者。
此前，科學家們嘗試將微米硅在商業化鋰離子電池負極中使用，但會造成包括體積膨脹、電極剝落和電解液反應等一系列問題，這些問題會導致電池的性能下降和壽命縮短。
一篇發表在 Science 的論文指出，微米硅可在全固態電池中使用。但領域內仍將它視作為主要進行嵌鋰反應的硅負極。
在經過研究和探索后，李鑫教授課題組發現其實它并不是傳統意義上的硅負極，而是提供了硅的骨架供析鋰反應產生鋰金屬在硅顆粒表面的沉積，因此硅并沒有充分地發生嵌鋰反應。
由于硅具有高容量和良好的電化學性能，納米硅可在一定程度上作為電池負極。然而，傳統的固-液電化學界面會一直發生嵌鋰反應，因此，微米硅在充放電過程中必然發生體積膨脹，導致電極材料的破裂和失效。
“我們發現一種獨特的現象，即硅在全固態電池的固-固界面上發生非常動態的反應。具體來說，嵌鋰反應只能在非常淺表的硅顆粒上面的發生，并在短時間內轉變為析鋰反應。”李鑫表示。
實際上，基于此類負極材料固態電池的循環顯著包含了充電過程中鋰金屬在負極顆粒表面上的快速沉積，然后在放電的過程中快速脫出的過程。
李鑫表示：“我們首次展示了硅材料能夠作為鋰金屬負極的骨架在固態電池中使用，這是對固-固界面電化學反應的新認知，在性能上提供了前所未有的高倍率、長時間和安全的循環性。”
并且，在 10 分鐘的快速充放電的過程中，并沒有發生鋰枝晶穿刺，循環 6000 圈測試條件下性能仍然保持穩定，成功驗證了電池的安全性。
實際上，該課題組早在 2018 年就首先提出了關于固態電池的電化學機械約束的概念。這次又以硅為模式材料，提出了在固-固界面上機械約束敏感性的概念。
基于此，研究人員還預測出可能具有適當的機械約束敏感性的材料，包括鎂合金等在內的新材料家族。研究人員對 6 萬種化合物進行了預測。
“不局限于硅，我們做高通量計算，凡是在靠近邊界的材料皆有可能是作為固態電池的負極材料。”李鑫說。
李鑫團隊的研究方向主要包括用于固態鋰和固態鈉離子電池的下一代儲能材料和器件，能源相關材料和器件，非常規超導體等。據悉，該技術已授權該課題組的初創公司 Adden Energy。
“目前我們已經將該電池進一步發展到手機電池大小，爭取在今年年底前，實現安時級別的軟包電池。如果進展順利，希望在 2025 年進行 10 安時級以上動力電池的應用測試，包括電動汽車、電動割草機等。”李鑫表示。
但不容忽視的是，由于其電解液是固-液界面，在循環過程中容易出現一系列問題。例如，金屬鋰枝晶生長、電解液膜的形成和電池內部的電化學反應等，這些問題會導致電池性能下降和短路等，限制了電池的循環壽命和安全性。
近期，美國哈佛大學李鑫教授團隊創新性地提出了一種新方法，以鋰金屬作為負極材料來制備全固態鋰電池。
該方法不僅有效地抑制了鋰金屬的枝晶生長和電解質界面反應層的生長，還顯著提高了電池的循環穩定性、能量和功率密度以及安全性。
該電池在 10 毫安電流條件下，實現了 6000 次循環后仍保持 80% 的容量，性能顯著高于當今市場上的其他軟包電池。
該團隊展示了軟包電池的涂布工藝，對于未來放大到更大容量的電池具有優勢。該課題組已制造出面積為紐扣電池 10 幾倍，約郵票大小的軟包電池。
鋰金屬作為一種高容量的負極材料，具有很高的能量密度，但在傳統電池中循環穩定性較差。
該研究通過引入對機械約束具有敏感性的負極材料，從科學原理上為領域提供了全新的認知，助力解決固態電池領域中鋰金屬快速循環的問題，為實現高性能、高能量密度的固態電池提供了新思路和新方案。
該技術有望讓固態鋰電池達到高功率從而實現快速充放電，潛在的應用場景包括電動汽車、手機電池、超級跑車、未來的電動飛機等。
近日，相關論文以《利用易受約束的負極材料實現金屬鋰在固態電池中的快速循環》（Fast cycling of lithium metal in solid-state batteries by constriction-susceptible anode materials）為題發表在 Nature Materials 上[1]。
哈佛大學葉露涵博士和陸洋博士為論文共同第一作者，李鑫教授為論文通訊作者。
此前，科學家們嘗試將微米硅在商業化鋰離子電池負極中使用，但會造成包括體積膨脹、電極剝落和電解液反應等一系列問題，這些問題會導致電池的性能下降和壽命縮短。
一篇發表在 Science 的論文指出，微米硅可在全固態電池中使用。但領域內仍將它視作為主要進行嵌鋰反應的硅負極。
在經過研究和探索后，李鑫教授課題組發現其實它并不是傳統意義上的硅負極，而是提供了硅的骨架供析鋰反應產生鋰金屬在硅顆粒表面的沉積，因此硅并沒有充分地發生嵌鋰反應。
由于硅具有高容量和良好的電化學性能，納米硅可在一定程度上作為電池負極。然而，傳統的固-液電化學界面會一直發生嵌鋰反應，因此，微米硅在充放電過程中必然發生體積膨脹，導致電極材料的破裂和失效。
“我們發現一種獨特的現象，即硅在全固態電池的固-固界面上發生非常動態的反應。具體來說，嵌鋰反應只能在非常淺表的硅顆粒上面的發生，并在短時間內轉變為析鋰反應。”李鑫表示。
實際上，基于此類負極材料固態電池的循環顯著包含了充電過程中鋰金屬在負極顆粒表面上的快速沉積，然后在放電的過程中快速脫出的過程。
李鑫表示：“我們首次展示了硅材料能夠作為鋰金屬負極的骨架在固態電池中使用，這是對固-固界面電化學反應的新認知，在性能上提供了前所未有的高倍率、長時間和安全的循環性。”
并且，在 10 分鐘的快速充放電的過程中，并沒有發生鋰枝晶穿刺，循環 6000 圈測試條件下性能仍然保持穩定，成功驗證了電池的安全性。
實際上，該課題組早在 2018 年就首先提出了關于固態電池的電化學機械約束的概念。這次又以硅為模式材料，提出了在固-固界面上機械約束敏感性的概念。
基于此，研究人員還預測出可能具有適當的機械約束敏感性的材料，包括鎂合金等在內的新材料家族。研究人員對 6 萬種化合物進行了預測。
“不局限于硅，我們做高通量計算，凡是在靠近邊界的材料皆有可能是作為固態電池的負極材料。”李鑫說。
李鑫團隊的研究方向主要包括用于固態鋰和固態鈉離子電池的下一代儲能材料和器件，能源相關材料和器件，非常規超導體等。據悉，該技術已授權該課題組的初創公司 Adden Energy。
“目前我們已經將該電池進一步發展到手機電池大小，爭取在今年年底前，實現安時級別的軟包電池。如果進展順利，希望在 2025 年進行 10 安時級以上動力電池的應用測試，包括電動汽車、電動割草機等。”李鑫表示。
