固态電池，迎來技術新突破。
隻需要 10 分鍾，就可充滿電。
并且在充放電循環 6000 次後，電池有效容量還有 80%，優于市場上任何一款軟包電池。
這項新的技術來自哈佛，全華班團隊打造，論文已經發表在 Nature 子刊 Nature Material 上。
什麽樣的固态電池
當前常見的锂離子電池，負極多爲石墨材料，優點是工藝成熟，運用廣泛，但缺點是理論比容量不高，爲 372mAh/g，商業化後大概會更低一點。
這也是爲什麽如今的锂離子電池，特别是液态锂離子電池想要增加能量密度、續航裏程，往往有個上限。
因此，能量密度更高的固态電池一直被認爲是锂離子電池的終極形态，是當下行業發展的方向。
而固态電池一大熱門負極材料就是锂，理論比容量高達 3860mAh/g，并且擁有最低的電化學勢（-3.04V），能更有效吸收和釋放電子，也能對應更廣泛的正極材料。
另一種負極材料矽，雖然能量比容量更高（4200mAh/g），但在充放電中會産生劇烈體積變化，容易導緻電池失效。
但使用锂電子作爲負極有一個最大問題就是锂枝晶，也是電池短路失效、熱失控等嚴重後果的元兇。
雖然固态電池使用固态電解質，對于锂枝晶的生長有一定抑制作用，但各類固态電解質的抑制效果不一，什麽樣的固态電解質是最優解現在也沒個定論。
并且，使用什麽樣的固态電解質也是目前固态電池熱門的研究方向之一。
對此，該論文的哈佛團隊使用了一種獨特方式：在锂金屬負極上，增加一層由微米級矽元素（Si）和石墨（G）形成的複合材料的保護層，由此誕生了性能更優的固态電池。
團隊使用鎳钴錳（NMC83），以及 SiG 複合材料保護的锂金屬制作了一個固态電池包，尺寸爲 28X35 平方毫米，遠遠大于一般實驗室使用的紐扣電池的大小（約 10 倍 -20 倍）。
在 25MPa 的工作壓力下，該固态電池在 5C 的充電和放電倍率下循環，初始容量爲 125mAh/g。
如圖所示，2000 次充放電循環後容量保持率爲 92%，3000 次循環後爲 88%，6000 次循環後仍然爲 80%，這個表現優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達到 218Wh/kg，超過當下主流大部分锂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闆厚度、降低工作壓力以及增加陰極負載進一步提升能量密度。
以上這些數據已經充分證明了該 SiG 複合材料加入後，固态電池包具有的高性能。
實際上，在固态電池中植入人工固态電解質界面層（SEI），提升固态電池的性能并不是什麽新鮮事，那麽爲什麽這樣的 SiG 材料就能實現性能突破？
材料關鍵：微米級矽顆粒
衆所周知，锂離子電池充放電的過程，就是電池陽極反複得到和失去锂離子的過程（或者說嵌入和脫嵌）。
也就是說，如何在電池陽極快速、均勻、穩定地鍍上或剝離锂，是該電池能否商業化的關鍵。
該團隊在實驗過程中發現，在負極锂上增加由微米尺寸的矽構成的複合材料，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）等技術發現，在電池循環過程中，锂離子隻和淺層的矽發生反應：
同時矽顆粒的外形沒有明顯變化：
這意味着微米級的矽顆粒并不會由于矽化反應膨脹，锂化反應得到抑制；同時也不會提供有利于锂枝晶生長的環境，或者說抑制锂枝晶的生長。
并且，在這種材料中，矽 - 石墨層提供了一種活躍的 3D 支架，顆粒之間的空隙區域有利于锂離子的嵌入和脫嵌，能有效提高電極容量，進一步提高電池的總體容量。
論文作者使用硫化電解質，和由 SiG 複合材料保護的锂金屬制造的固态電池，放電容量達到 5600mAh/G，比理論容量 4200mAh/G 高出很多。
并且，也由于锂離子的電鍍和剝離可以在平坦的矽表面上快速發生，電池隻需要約 10 分鍾就可充滿電。
另外，論文中還對材料的锂化反應提出了一種新的衡量标準：每單位有效模量（Keff）的锂化組成（lithiation composition per Kcrit）。
論文中指出，每一種材料都有一個相應的臨界模量，超過這個模量，锂化反應就會得到有效抑制。因此在固态電池的材料選擇中，可以選擇臨界模量更低的那種。
作者分析了 59524 種材料條目，發現除了矽以外，銀和鎂合金也是具有前景的負極材料。
論文作者簡介
本文團隊爲全華班，五位作者均來自哈佛大學約翰 · 保爾森工程與應用科學學院，Li Xin 實驗室。
其中 Ye Luhan 和 Lu Yang 對本文作出同等貢獻。
Ye Luhan 在 2022 年取得哈佛大學博士學位，研究方向包括固态電池、锂金屬陽極、電化學等。
Lu Yang 同樣在 2022 年在哈佛大學獲得材料工程專業研究生學位（Postgraduate Degree），在這期間還擔任助理研究員。
Lu Yang 本科畢業于華中科技大學電子封裝技術專業，碩士和博士都在聖路易斯華盛頓大學就讀，分别是電氣工程專業和材料科學與工程專業。
第三位作者 Wang Yichao，2017 年本科畢業于清華大學材料科學專業，後直博哈佛，在 2022 年獲得材料科學博士學位，現在是哈佛大學藝術與科學研究生院的助理研究員。
第四位作者 Li Jianyuan 是 Li Xin 實驗室的訪問學者。
本文的通訊作者，Li Xin，目前是哈佛材料科學專業副教授，同時是該實驗室首席研究員。
Li Xin 在 2003 年畢業于南京大學物理專業，後在賓夕法尼亞大學取得材料科學與工程博士學位，還在加州理工和麻省理工當過博士後研究員。
2015 年 Li Xin 加入哈佛，後建立 Li Xin 實驗室，之前曾開發出一款壽命周期達 1 萬次、3 分鍾可充滿電的固态電池。
不僅在學術研究等方面擁有成績，2021 年，Li Xin 還和本文作者之一 Ye Luhan 等人共同創建 Adden Energy，專注将實驗室結果推進量産落地。
目前，Ye Luhan 是 Adden Energy 的 CTO，Lu Yang 是 Adden Energy 的聚合物與電池科學家。
上述的 SiG 材料技術也授權給了 Adden Energy，推進該技術的量産落地。據 Li Xin 透露，公司已經擴大該技術的規模，能夠制造出智能手機大小的軟包電池。
對于這項新的技術突破，有網友表示非常不錯。他認爲這就是在朝正确的方向前進，電池的續航裏程沒有那麽重要，充電時間才是關鍵。
不過也有網友指出，如此短的充電時間則意味着更高的充電功率。
比如要在 5 分鍾内要讓容量 100kWh 的電池充滿電，需要 1.2MW 的充電功率，還不包括電路損耗，當前的充電基礎設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。
你認爲這項技術如何？未來能夠改變動力電池的行業嗎？
