电动汽车的电池突破

持久，快速充电的电池对于电动汽车市场的扩展至关重要，但今天的锂离子电池缺乏所需的内容 - 它们太重，太昂贵，需要太长而且要充电。

几十年来，研究人员试图利用固态，锂金属电池的潜力，与传统的锂离子电池相比，在一小部分中，在相同的体积和电荷中保持相同的体积和电荷的潜力。

“由于其高容量和能量密度，”锂金属电池被认为是电池化学的圣杯“，”哈佛约翰A.保尔森工程学院（SEA）的材料科学副教授。 “但这些电池的稳定性一直很差。”

现在，李和他的团队设计了一个稳定的锂金属固态电池，可以收取至少10,000次 - 远远超过先前对高电流密度的循环进行充电和放电。研究人员用商业高能量密度阴极材料配对新设计。

这种电池技术可以将电动车的寿命增加到汽油车的寿命 - 10至15年 - 无需更换电池。凭借其高电流密度，电池可以为可以在10至20分钟内完全充电的电动汽车铺平道路。

“我们的研究表明，固态电池可能与商业液体电解质锂离子电池根本上不同，”Li表示。 “通过研究他们的基本热力学，我们可以解锁卓越的性能并利用他们丰富的机会。”

锂金属电池的巨大挑战一直是化学。锂电池在充电期间将锂离子从阴极移动到阳极。当阳极由锂金属制成时，表面上称为树枝状物的针状结构。这些结构像根部生长到电解质中，并刺穿分离阳极和阴极的屏障，使电池短甚至着火。

为了克服这一挑战，李和他的团队设计了一种多层电池，将不同的材料夹在阳极和阴极之间的不同稳定性。这种多层电池通过完全停止它们而是防止锂枝条的渗透，而是通过控制和包含它们来防止锂枝曲张。

想想像BLT三明治一样的电池。首先是面包 - 锂金属阳极 - 其次是莴苣 - 石墨涂层。接下来，一层西红柿 - 第一电解质 - 和一层培根 - 第二电解质。用另一层西红柿和最后一块面包完成它 - 阴极。

第一电解质（化学名称Li 5.5PS 4.5CL 1.5或LPSCI）与锂更稳定，但容易发生枝晶穿透。第二电解质，（Li 10Ge 1P 2S 12或LGPs）与锂稳定，但出现对树枝状体的免疫。在这种设计中，允许树枝状物通过石墨和第一电解质生长，但是当它们到达第二时停止。换句话说，树突通过生菜和番茄生长，但在培根停止。培根屏障停止枝形曲线推动并缩短电池。

“我们将不稳定的策略稳定稳定电池令人违禁，而只是像锚可以引导和控制螺丝进入墙壁，所以我们的多层设计指南也可以控制树枝状道的生长，”卢邦叶，CO - 海洋上的纸张和研究生。

“不同之处在于，我们的锚迅速变得太紧，对于枝晶来钻孔，因此树突生长停止，”李增。

电池也是自我修复;其化学允许它达到树突填充的回填孔。

“这种概念证明设计表明，锂金属固态电池可能与商业锂离子电池竞争，”李说。 “我们多层设计的灵活性和多功能性使其可能与电池行业的大规模生产程序兼容。将其扩展到商用电池并不容易，仍然存在一些实际挑战，但我们相信他们将被克服。“

该研究得到了院长在哈佛大学和哈佛数据科学倡议竞争研究基金中获得了高兴奖学金的竞争基金。 该项目的进一步发展将由哈佛物理科学和工程加速度奖和哈佛气候变化解决方案基金提供支持。