新型可充电固化锂电池充电速度极快并极其抗火

作者：Philip E. Ross

出处：IEEE Spectrum

翻译：Allen Weng

它三明治状有效增加了可充电锂电池的抗火性

哈佛大学的工程师开发了一种可以快速充电和放电，并且不会降低性能的固态锂离子电池。在电动汽车中，此类电池可以在10到20分钟内充电，并在车辆的使用寿命内持续使用。

现在，实验室原型只有一枚硬币的大小。在电动汽车中，它至少是一本相当厚的教科书的大小。

材料系副教授Xin Li告诉IEEE Spectrum：“扩大到电动汽车内并不是一件简单的事情，我们以后必须解决很多方面的问题。” 哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院的Li及其同事在《自然》杂志上描述了他们的工作。

即便如此，Li说将这项技术商业化也引起了很多兴趣。他没有透露哪些公司，但他表示有兴趣的人士属于汽车领域。

像任何固态设计一样，这些电池使用陶瓷电解质代替当今锂离子电池中常见的有机液体。此步骤大大降低了着火的危险。

这里新的概念是把不同材料组成类似一个三明治的结构来阻止锂金属晶体细丝的生长。这些树枝状晶体在每个充电和放电周期中会变长。如果其中一个树枝状晶体从阳极生长到阴极，电池就会短路。其产生的热量可能点燃电池，然后点燃相邻的电池，引发链式反应和热失控。

通过添加不同稳定度的固体电解质层，哈佛大学的研究人员能够确保任何初期的树枝状晶体的生长都被阻止。当任何可能的枝晶的种子穿透不稳定的一层材料时，就会引起局部分解，从而阻止进一步的生长。Li将设计与螺丝的塑料套筒进行了比较。

他说：“在石膏板上钻一个孔，将螺丝钉穿过该锚钉，然后当感觉到拉紧时，螺丝钉就被牢固地固定了。” “我们设计了该层的化学结构，以使树枝状晶体像螺钉一样，当其遇到电解质时，就会发生化学反应，产生局部应力场，就像锚钉对螺钉一样。”

由于这种阻档动作，树枝状晶体永远不会变得足够大而引起短路，析出大量锂，或破坏陶瓷电解质。因此，即使长时间使用，电池也能保持其完整性。

因为石墨具有抗晶体特性，而成为当今阳极的标准材料。工程师们使用的这种新技术可以淘汰石墨，而由具有高电流密度的锂金属来制成电池阳极。由于其高电流密度，他们在《自然》杂志上将锂金属描述为圣杯。电流密度是指电池在给定区域内可以处理许多次充电/放电循环而不会形成树枝状晶体的最大电流。

“我们可以在接近每平方厘米10毫安的电流密度下循环10,000次，”Li说。他说这个循环次数是超级高的，确实在对锂离子电池退化中的研究发现，当从1毫安/平方厘米上升到3毫安/平方厘米时，故障很快就会出现。

我们要多久能在车上看到这个东西？ “那要看你问的人，”Li笑着说。 “电池公司是一种说法，汽车制造商是另一种说法。我的猜测是五到十年。”

https://spectrum.ieee.org/cars-that-think/energy/batteries-storage/solidstate-lithiumion-battery-recharges-fire