10分钟充满电 哈佛全华班团队带来固态电池新突破

什么样的固态电池

当前常见的锂离子电池，负极多为石墨材料，优点是工艺成熟，运用广泛，但缺点是理论比容量不高，为372mAh/g，商业化后大概会更低一点。

这也是为什么如今的锂离子电池，特别是液态锂离子电池想要增加能量密度、续航里程，往往有个上限。

因此，能量密度更高的固态电池一直被认为是锂离子电池的终极形态，是当下行业发展的方向。

而固态电池一大热门负极材料就是锂，理论比容量高达3860mAh/g，并且拥有最低的电化学势（-3.04V），能更有效吸收和释放电子，也能对应更广泛的正极材料。

另一种负极材料硅，虽然能量比容量更高（4200mAh/g），但在充放电中会产生剧烈体积变化，容易导致电池失效。

但使用锂电子作为负极有一个最大问题就是锂枝晶，也是电池短路失效、热失控等严重后果的元凶。

虽然固态电池使用固态电解质，对于锂枝晶的生长有一定抑制作用，但各类固态电解质的抑制效果不一，什么样的固态电解质是最优解现在也没个定论。

并且，使用什么样的固态电解质也是目前固态电池热门的研究方向之一。

对此，该论文的哈佛团队使用了一种独特方式：在锂金属负极上，增加一层由微米级硅元素（Si）和石墨（G）形成的复合材料的保护层，由此诞生了性能更优的固态电池。

团队使用镍钴锰（NMC83），以及SiG复合材料保护的锂金属制作了一个固态电池包，尺寸为28X35平方毫米，远远大于一般实验室使用的纽扣电池的大小（约10倍-20倍）。

在25MPa的工作压力下，该固态电池在5C的充电和放电倍率下循环，初始容量为125mAh/g。

如图所示，2000次充放电循环后容量保持率为92%，3000次循环后为88%，6000次循环后仍然为80%，这个表现优于市场上其他的软包电池。

并且，在不考虑压力夹具的情况下，该软包电池的能量密度已经达到218Wh/kg，超过当下主流大部分锂离子电池的能量密度。

并且论文作者表示，未来还能通过减小隔板厚度、降低工作压力以及增加阴极负载进一步提升能量密度。

以上这些数据已经充分证明了该SiG复合材料加入后，固态电池包具有的高性能。

实际上，在固态电池中植入人工固态电解质界面层（SEI），提升固态电池的性能并不是什么新鲜事，那么为什么这样的SiG材料就能实现性能突破？

材料关键：微米级硅颗粒

众所周知，锂离子电池充放电的过程，就是电池阳极反复得到和失去锂离子的过程（或者说嵌入和脱嵌）。

也就是说，如何在电池阳极快速、均匀、稳定地镀上或剥离锂，是该电池能否商业化的关键。

该团队在实验过程中发现，在负极锂上增加由微米尺寸的硅构成的复合材料，恰好可以满足这一要求。

论文通过透射电子显微镜（TEM）和能量色散谱（EDS）等技术发现，在电池循环过程中，锂离子只和浅层的硅发生反应：

同时硅颗粒的外形没有明显变化：

这意味着微米级的硅颗粒并不会由于硅化反应膨胀，锂化反应得到抑制；同时也不会提供有利于锂枝晶生长的环境，或者说抑制锂枝晶的生长。

并且，在这种材料中，硅-石墨层提供了一种活跃的3D支架，颗粒之间的空隙区域有利于锂离子的嵌入和脱嵌，能有效提高电极容量，进一步提高电池的总体容量。

论文作者使用硫化电解质，和由SiG复合材料保护的锂金属制造的固态电池，放电容量达到5600mAh/G，比理论容量4200mAh/G高出很多。

并且，也由于锂离子的电镀和剥离可以在平坦的硅表面上快速发生，电池只需要约10分钟就可充满电。

另外，论文中还对材料的锂化反应提出了一种新的衡量标准：每单位有效模量（Keff）的锂化组成（lithiation composition per Kcrit）。

论文中指出，每一种材料都有一个相应的临界模量，超过这个模量，锂化反应就会得到有效抑制。因此在固态电池的材料选择中，可以选择临界模量更低的那种。

作者分析了59524种材料条目，发现除了硅以外，银和镁合金也是具有前景的负极材料。

论文作者简介

本文团队为全华班，五位作者均来自哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院，Li Xin实验室。

其中Ye Luhan和Lu Yang对本文作出同等贡献。

Ye Luhan在2022年取得哈佛大学博士学位，研究方向包括固态电池、锂金属阳极、电化学等。

Lu Yang同样在2022年在哈佛大学获得材料工程专业研究生学位（Postgraduate Degree），在这期间还担任助理研究员。

Lu Yang本科毕业于华中科技大学电子封装技术专业，硕士和博士都在圣路易斯华盛顿大学就读，分别是电气工程专业和材料科学与工程专业。

第三位作者Wang Yichao，2017年本科毕业于清华大学材料科学专业，后直博哈佛，在2022年获得材料科学博士学位，现在是哈佛大学艺术与科学研究生院的助理研究员。

第四位作者Li Jianyuan是Li Xin实验室的访问学者。

本文的通讯作者，Li Xin，目前是哈佛材料科学专业副教授，同时是该实验室首席研究员。

Li Xin在2003年毕业于南京大学物理专业，后在宾夕法尼亚大学取得材料科学与工程博士学位，还在加州理工和麻省理工当过博士后研究员。

2015年Li Xin加入哈佛，后建立Li Xin实验室，之前曾开发出一款寿命周期达1万次、3分钟可充满电的固态电池。

不仅在学术研究等方面拥有成绩，2021年，Li Xin还和本文作者之一Ye Luhan等人共同创建Adden Energy，专注将实验室结果推进量产落地。

目前，Ye Luhan是Adden Energy的CTO，Lu Yang是Adden Energy的聚合物与电池科学家。

上述的SiG材料技术也授权给了Adden Energy，推进该技术的量产落地。据Li Xin透露，公司已经扩大该技术的规模，能够制造出智能手机大小的软包电池。

对于这项新的技术突破，有网友表示非常不错。他认为这就是在朝正确的方向前进，电池的续航里程没有那么重要，充电时间才是关键。

不过也有网友指出，如此短的充电时间则意味着更高的充电功率。

比如要在5分钟内要让容量100kWh的电池充满电，需要1.2MW的充电功率，还不包括电路损耗，当前的充电基础设施并不能满足这样的需求，所以拥有光伏装置的慢充站才是更好的解决方案。