鋰離子電池從第一次工業(yè)化發(fā)展至今已有 30 多年，并逐漸發(fā)展成為電子設(shè)備、移動通信、電動車等領(lǐng)域的主流電池技術(shù)。
但不容忽視的是，由于其電解液是固-液界面，在循環(huán)過程中容易出現(xiàn)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(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)等，這些問題會導(dǎo)致電池性能下降和短路等，限制了電池的循環(huán)壽命和安全性。
近期，美國哈佛大學(xué)李鑫教授團隊創(chuàng)新性地提出了一種新方法，以鋰金屬作為負(fù)極材料來制備全固態(tài)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(zhì)界面反應(yīng)層的生長，還顯著提高了電池的循環(huán)穩(wěn)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(xiàn)了 6000 次循環(huán)后仍保持 80% 的容量，性能顯著高于當(dāng)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(yōu)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(fù)極材料，具有很高的能量密度，但在傳統(tǒng)電池中循環(huán)穩(wěn)定性較差。
該研究通過引入對機械約束具有敏感性的負(fù)極材料，從科學(xué)原理上為領(lǐng)域提供了全新的認(rèn)知，助力解決固態(tài)電池領(lǐng)域中鋰金屬快速循環(huán)的問題，為實現(xiàn)高性能、高能量密度的固態(tài)電池提供了新思路和新方案。
該技術(shù)有望讓固態(tài)鋰電池達(dá)到高功率從而實現(xiàn)快速充放電，潛在的應(yīng)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(guān)論文以《利用易受約束的負(fù)極材料實現(xiàn)金屬鋰在固態(tài)電池中的快速循環(huán)》（Fast cycling of lithium metal in solid-state batteries by constriction-susceptible anode materials）為題發(fā)表在 Nature Materials 上[1]。
哈佛大學(xué)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(xué)家們嘗試將微米硅在商業(yè)化鋰離子電池負(fù)極中使用，但會造成包括體積膨脹、電極剝落和電解液反應(yīng)等一系列問題，這些問題會導(dǎo)致電池的性能下降和壽命縮短。
一篇發(fā)表在 Science 的論文指出，微米硅可在全固態(tài)電池中使用。但領(lǐng)域內(nèi)仍將它視作為主要進(jìn)行嵌鋰反應(yīng)的硅負(fù)極。
在經(jīng)過研究和探索后，李鑫教授課題組發(fā)現(xiàn)其實它并不是傳統(tǒng)意義上的硅負(fù)極，而是提供了硅的骨架供析鋰反應(yīng)產(chǎn)生鋰金屬在硅顆粒表面的沉積，因此硅并沒有充分地發(fā)生嵌鋰反應(yīng)。
由于硅具有高容量和良好的電化學(xué)性能，納米硅可在一定程度上作為電池負(fù)極。然而，傳統(tǒng)的固-液電化學(xué)界面會一直發(fā)生嵌鋰反應(yīng)，因此，微米硅在充放電過程中必然發(fā)生體積膨脹，導(dǎo)致電極材料的破裂和失效。
“我們發(fā)現(xiàn)一種獨特的現(xiàn)象，即硅在全固態(tài)電池的固-固界面上發(fā)生非常動態(tài)的反應(yīng)。具體來說，嵌鋰反應(yīng)只能在非常淺表的硅顆粒上面的發(fā)生，并在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槲鲣嚪磻?yīng)。”李鑫表示。
實際上，基于此類負(fù)極材料固態(tài)電池的循環(huán)顯著包含了充電過程中鋰金屬在負(fù)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(fù)極的骨架在固態(tài)電池中使用，這是對固-固界面電化學(xué)反應(yīng)的新認(rèn)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(huán)性。”
并且，在 10 分鐘的快速充放電的過程中，并沒有發(fā)生鋰枝晶穿刺，循環(huán) 6000 圈測試條件下性能仍然保持穩(wěn)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(guān)于固態(tài)電池的電化學(xué)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(yù)測出可能具有適當(dāng)?shù)臋C械約束敏感性的材料，包括鎂合金等在內(nèi)的新材料家族。研究人員對 6 萬種化合物進(jìn)行了預(yù)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(tài)電池的負(fù)極材料。”李鑫說。
李鑫團隊的研究方向主要包括用于固態(tài)鋰和固態(tài)鈉離子電池的下一代儲能材料和器件，能源相關(guān)材料和器件，非常規(guī)超導(dǎo)體等。據(jù)悉，該技術(shù)已授權(quán)該課題組的初創(chuàng)公司 Adden Energy。
“目前我們已經(jīng)將該電池進(jìn)一步發(fā)展到手機電池大小，爭取在今年年底前，實現(xiàn)安時級別的軟包電池。如果進(jìn)展順利，希望在 2025 年進(jìn)行 10 安時級以上動力電池的應(yīng)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(huán)過程中容易出現(xiàn)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(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)等，這些問題會導(dǎo)致電池性能下降和短路等，限制了電池的循環(huán)壽命和安全性。
近期，美國哈佛大學(xué)李鑫教授團隊創(chuàng)新性地提出了一種新方法，以鋰金屬作為負(fù)極材料來制備全固態(tài)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(zhì)界面反應(yīng)層的生長，還顯著提高了電池的循環(huán)穩(wěn)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(xiàn)了 6000 次循環(huán)后仍保持 80% 的容量，性能顯著高于當(dāng)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(yōu)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(fù)極材料，具有很高的能量密度，但在傳統(tǒng)電池中循環(huán)穩(wěn)定性較差。
該研究通過引入對機械約束具有敏感性的負(fù)極材料，從科學(xué)原理上為領(lǐng)域提供了全新的認(rèn)知，助力解決固態(tài)電池領(lǐng)域中鋰金屬快速循環(huán)的問題，為實現(xiàn)高性能、高能量密度的固態(tài)電池提供了新思路和新方案。
該技術(shù)有望讓固態(tài)鋰電池達(dá)到高功率從而實現(xiàn)快速充放電，潛在的應(yīng)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(guān)論文以《利用易受約束的負(fù)極材料實現(xiàn)金屬鋰在固態(tài)電池中的快速循環(huán)》（Fast cycling of lithium metal in solid-state batteries by constriction-susceptible anode materials）為題發(fā)表在 Nature Materials 上[1]。
哈佛大學(xué)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(xué)家們嘗試將微米硅在商業(yè)化鋰離子電池負(fù)極中使用，但會造成包括體積膨脹、電極剝落和電解液反應(yīng)等一系列問題，這些問題會導(dǎo)致電池的性能下降和壽命縮短。
一篇發(fā)表在 Science 的論文指出，微米硅可在全固態(tài)電池中使用。但領(lǐng)域內(nèi)仍將它視作為主要進(jìn)行嵌鋰反應(yīng)的硅負(fù)極。
在經(jīng)過研究和探索后，李鑫教授課題組發(fā)現(xiàn)其實它并不是傳統(tǒng)意義上的硅負(fù)極，而是提供了硅的骨架供析鋰反應(yīng)產(chǎn)生鋰金屬在硅顆粒表面的沉積，因此硅并沒有充分地發(fā)生嵌鋰反應(yīng)。
由于硅具有高容量和良好的電化學(xué)性能，納米硅可在一定程度上作為電池負(fù)極。然而，傳統(tǒng)的固-液電化學(xué)界面會一直發(fā)生嵌鋰反應(yīng)，因此，微米硅在充放電過程中必然發(fā)生體積膨脹，導(dǎo)致電極材料的破裂和失效。
“我們發(fā)現(xiàn)一種獨特的現(xiàn)象，即硅在全固態(tài)電池的固-固界面上發(fā)生非常動態(tài)的反應(yīng)。具體來說，嵌鋰反應(yīng)只能在非常淺表的硅顆粒上面的發(fā)生，并在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槲鲣嚪磻?yīng)。”李鑫表示。
實際上，基于此類負(fù)極材料固態(tài)電池的循環(huán)顯著包含了充電過程中鋰金屬在負(fù)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(fù)極的骨架在固態(tài)電池中使用，這是對固-固界面電化學(xué)反應(yīng)的新認(rèn)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(huán)性。”
并且，在 10 分鐘的快速充放電的過程中，并沒有發(fā)生鋰枝晶穿刺，循環(huán) 6000 圈測試條件下性能仍然保持穩(wěn)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(guān)于固態(tài)電池的電化學(xué)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(yù)測出可能具有適當(dāng)?shù)臋C械約束敏感性的材料，包括鎂合金等在內(nèi)的新材料家族。研究人員對 6 萬種化合物進(jìn)行了預(yù)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(tài)電池的負(fù)極材料。”李鑫說。
李鑫團隊的研究方向主要包括用于固態(tài)鋰和固態(tài)鈉離子電池的下一代儲能材料和器件，能源相關(guān)材料和器件，非常規(guī)超導(dǎo)體等。據(jù)悉，該技術(shù)已授權(quán)該課題組的初創(chuàng)公司 Adden Energy。
“目前我們已經(jīng)將該電池進(jìn)一步發(fā)展到手機電池大小，爭取在今年年底前，實現(xiàn)安時級別的軟包電池。如果進(jìn)展順利，希望在 2025 年進(jìn)行 10 安時級以上動力電池的應(yīng)用測試，包括電動汽車、電動割草機等。”李鑫表示。
