电池技术领域一直充满创新，这种演变的最前沿之一是全固态锂金属电池。随着电动汽车（EV）市场的持续上升，对更安全、更高能量密度、更高效的电池的需求也在不断上升。美国马里兰大学的研究人员最近在《自然》期刊上发表了最新研究成果，促进了全固态锂金属电池的发展。

全固态锂金属电池

全固态锂金属电池的核心是将固体组件用于电解质和电极的概念。与使用易燃液体电解液的锂离子电池不同，全固态锂金属电池使用固体电解质。这种设计提供了几个优势：

1.安全：在没有液体成分的情况下，与泄漏或穿刺引起的火灾相关的风险会显著降低

2.更高的能量密度：存储更多能量的潜力意味着充电之间的电池寿命更长——这是电动汽车的一个关键优势。

3.耐用：在充电-放电周期方面，这些电池可能比液体电池更耐用，在其生命周期内提供更多价值。

全固态锂金属电池的技术挑战

然而，创新带来了挑战。特别是当这些电池在低堆栈压力（对电池内的层施加的物理压力）下运行时，会出现两个重大问题：

1.阳极上的锂树突（Dendrite）生长：微小的针状结构，锂树突，在充电过程中可以从锂金属阳极中生长出来。如果它们长得足够大，它们可以刺穿固体电解质，到达阴极，并诱发短路。这可能会导致快速过热、效率降低甚至火灾。虽然更高的堆栈压力可以抑制这种增长，但必须找到即使在较低压力下针对更广泛应用也能有效果的解决方案。

2.阴极的高界面电阻：不同电池材料之间的界面，如阴极和电解质之间的界面，可以产生电阻。这种电阻阻碍了电子和离子的平稳流动，导致能量损失、充电速度降低和潜在的热问题。在全固态设计中，任何错位或不完美都会显著加剧这个问题。

马里兰大学的研究突破

马里兰大学的研究团队由化学和生物分子工程系教授Chunsheng Wang领导，专注于为电池的“夹层（interlayer）”开发独特的设计。

为了抵消树突生长，他们在Li/Li6PS5Cl界面引入了Mg16Bi84夹层。在电池充电周期内，镁从这个夹层传输到锂阳极。这种运动将夹层转化为复合结构，确保锂仅沉积在阳极表面，随后生长成一个设计好的多孔层，有效管理压力变化。

此外，为了解决阴极的高界面电阻，研究人员在LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）阴极上设计了一个富含氟的夹层。这种设计确保了富含氟的夹层转化为掺杂氟的NMC811阴极，从而稳定阴极并大幅降低界面电阻。

令人印象深刻的测试结果

这些设计的结果简直是革命性的。新构思的NMC811/Li6PS5Cl/Li电池在2.55 mA/平方厘米下实现了7.2 mAh/平方厘米的容量。另一种设计，LiNiO2/Li6PS5Cl/Li电池，在最小堆栈压力下容量为11.1 mAh/平方厘米，达到非常引人注目的能量密度310 Wh/公斤。

这些进步很有希望，但挑战仍然存在，特别是在制造工艺和基本材料的高成本方面。尽管如此，这项技术的潜在商业化看起来很光明，Solid Power等公司计划进行试验，并计划在2026年之前发布这些新电池。