固体电池迎来了新的技术突破。充满电只需要10分钟。充放电循环6000次后，电池有效容量仍为80%，优于市场上任何软包电池。这项新技术来自哈佛，由全华班团队建造，论文已在Nature子刊Nature发表 在Material上。目前常见的固态电池锂离子电池多为石墨材料。其优点是工艺成熟，应用广泛，但缺点是理论比容量不高，为372mah/g，商业化后可能会更低。这就是为什么今天的锂离子电池，尤其是液态锂离子电池，往往有一个上限来增加能量密度和里程。因此，能量密度较高的固态电池一直被认为是锂离子电池的终极形式，是当前行业的发展方向。固态电池最受欢迎的负极材料是锂，理论比容量高达3860mah/hg，并且具有最低电化学势(-3.04V)，能更有效地吸收和释放电子，也能对应更广泛的正极材料。另一种负极材料硅，虽然能量高于容量(4200mah/g），但在充放电过程中会发生剧烈的体积变化，容易导致电池故障。然而，使用锂电子作为负极的最大问题之一是锂枝晶，这也是电池短路故障、热失控等严重后果的罪魁祸首。固态电池虽然采用固态电解质，但对锂枝晶的生长有一定的抑制作用，但各种固态电解质的抑制作用不同，目前还没有最终结论。而且，使用什么样的固态电解质也是目前固态电池的热门研究方向之一。在这方面，该论文的哈佛团队采用了一种独特的方式：在锂金属负极上，微米级硅增加了一层（Si）和石墨（G）复合材料的保护层诞生了性能更好的固态电池。该团队用镍钴锰(NMC83)和SiG复合材料保护的锂金属制作了一个28X35平方毫米的固态电池组，远大于普通实验室使用的纽扣电池(约10-20倍)。在25MPa的工作压力下，固态电池在5C的充放率下循环，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次循环后容量保持率为88%，6000次循环后容量保持率为80%，优于市场上其他软包电池。而且，在不考虑压力夹具的情况下，软包电池的能量密度已达到218Wh/kg，超过大多数主流锂离子电池的能量密度。此外，论文作者表示，未来可以通过降低隔板厚度、降低工作压力和增加阴极负荷来进一步提高能量密度。这些数据充分证明了固态电池组在添加SiG复合材料后的高性能。事实上，人工固态电解质界面层植入固态电池。（SEI），提高固态电池的性能并不新鲜，那么为什么这种SiG材料能够实现性能突破呢？材料关键：众所周知，锂离子电池的充放电过程是电池阳极反复获得和丢失锂离子（或嵌入和分离）的过程。换句话说，如何在电池阳极上快速、均匀、稳定地镀上或剥离锂是电池商业化的关键。在实验过程中，该团队发现，在负极锂上添加微米硅组成的复合材料正好满足了这一要求。论文通过透射电子显微镜（TEM）和能量色散谱（EDS）技术发现，在电池循环过程中，锂离子只与浅硅发生反应：硅颗粒的形状没有明显变化：这意味着微米硅颗粒不会因硅反应膨胀而抑制锂反应；不提供有利于锂枝晶生长或抑制锂枝晶生长的环境。此外，在这种材料中，硅石墨层提供了一个活跃的3D支架。颗粒之间的间隙区域有利于锂离子的嵌入和嵌入，可以有效提高电极容量，进一步提高电池的整体容量。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成的固态电池，放电容量达到5600mah/hG，比理论容量4200mah/G高很多。而且，由于锂离子的电镀和剥离可以在平坦的硅表面快速发生，电池充满电只需要10分钟左右。此外，论文还对材料的锂化反应提出了新的测量标准：每个单位的有效模量（Keff）的锂化组成（lithiation composition per Kcrit）。本文指出，每一种材料都有相应的临界模量，超过这一模量，锂化反应就会得到有效抑制。因此，在选择固态电池的材料时，可以选择临界模量较低的那种。作者分析了59524种材料项目，发现银镁合金除硅外，也是有前途的负极材料。这篇论文的作者是全华班，五位作者都来自哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院，Li Xin实验室。其中Ye Luhan和Lu Yang对这篇文章做出了同样的贡献。Ye Luhan于2022年获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 2022年，Yang还获得了哈佛大学材料工程研究生学位（Postgraduate Degree），在此期间，他还担任助理研究员。Lu Yang毕业于华中科技大学，主修电子包装技术。他的硕士和博士学位都在圣路易斯华盛顿大学学习，主修电气工程、材料科学和工程。第三位作者Wang Yichao，2017年毕业于清华大学材料科学专业，2022年获材料科学博士学位，现为哈佛大学艺术与科学研究生院助理研究员。第四位作者Li Jianyuan是Li 访问Xin实验室的学者。本文的通讯作者，Li Xin，目前是哈佛材料科学副教授，实验室首席研究员。Li Xin于2003年毕业于南京大学物理专业，在宾夕法尼亚大学获得材料科学与工程博士学位，并在加州理工学院和麻省理工学院担任博士后研究员。2015年Li Xin加入哈佛，建立Lin Xin实验室之前开发了一种固态电池，寿命周期为1万次，充满电时间为3分钟。2021年，不仅在学术研究方面取得了成就，Li Xin还与本文作者之一Yein合作 Luhan等人共同创建Aden Energy，重点推进实验室结果量产落地。目前，Ye Luhan是Adden EnergyCTO，Lu Yang是Adden Energy聚合物与电池科学家。上述Sig材料技术也授权Adden Energy，推动该技术的大规模生产。据Li Xin透露，该公司已经扩大了该技术的规模，可以生产智能手机大小的软包电池。对于这一新的技术突破，有网友表示非常好。他认为这是朝着正确的方向前进，电池里程不那么重要，充电时间是关键。然而，一些网民指出，如此短的充电时间意味着更高的充电功率。例如，容量为100kWh的电池需要1.2mW的充电功率，而不包括电路损耗。目前的充电基础设施不能满足这一需求，因此光伏装置的慢充电站是一个更好的解决方案。你觉得这个技术怎么样？未来能否改变动力电池行业？