哈佛大學華人教授搞了個新型固態電池，成果已發表在Nature雜誌上——充放電循環高達1萬次，最快3分鐘充滿電。相較而言，目前最好的固態電池循環次數為2000~3000次。主要原因在於，他們設計出一種“三明治”電池結構，哪怕在20mA/cm²這樣的超高電流密度下，也不會出現鋰枝晶穿透現象。

就在最近，這位教授成立的初創公司，被哈佛授予了獨家許可，目前已融資515萬美元（約3570萬元人民幣）。

實驗室的最新成果，正在大步邁向商業化落地……

支持1萬次充放電循環？

研究成果，發表在Nature雜誌上。

這種新型固態電池，在20C充電倍率（8.6mA/cm²）下充放電循環1萬次後，電池容量剩餘82%。

在1.5C充電倍率（0.64mA/cm²）下充放電循環2000次以後，電池容量剩餘81.3%。

同時可以在微米級正極材料中實現110.6kW/kg的功率密度和631.1Wh/kg的能量密度。

最新報導稱，這種固態電池最快3分鐘可充滿電。當時這篇論文給出的結果是，10~20分鐘內完成充電。

之所以能大幅提升電池的循環性能，主要歸功於電池結構創新——他們設計了一種類似三明治的對稱結構。

從左到右依次是：

鋰金屬陽極→石墨→LPSCI→ LGPS →LPSCI→石墨→NMC811陰極

意思就是，鋰金屬作為固態電池的陽極，單晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）則作為陰極。

石墨介於鋰金屬陽極和第一層固態電解質之間，主要用於隔熱。

值得一提的是，如果沒有石墨或金屬銦這樣的保護層，電壓一升高，電池（鋰金屬為陽極，LGPS為電解質）就容易短時間內失效。

如圖所示，三層固態電解質厚度相當。

夾在兩邊的第一層固態電解質為Li5.5PS4.5Cl1.5（LPSCI），特點在於對鋰金屬表現較為穩定，但容易發生鋰枝晶穿透。它的存在能夠穩定鋰金屬和石墨層的主要界面，並降低整體過電位。

夾在中間的第二層電解質為Li10Ge1P2S12（LGPS），對鋰不那麼穩定，但不易發生鋰枝晶穿透。

中間這層電解質也可換成Li9.54Si1.74(P0.9Sb0.1)1.44S11.7Cl0.3 (LSPS)，也能獲得類似的性能表現。

這樣的安排好處是，鋰枝晶可以穿過石墨和第一層電解質，但到達第二層電解質時被“攔截”下來，真正解決了鋰金屬電池的一大難題和痛點——

電池反復多次充放電，陶瓷顆粒中會頻繁產生微米或亞微米級裂紋。裂紋一旦形成，鋰枝晶穿透及短路現象就難以避免。

“三明治”中間的這層固態電解質，恰好讓鋰枝晶無法刺穿整個電池，從而避免了電池正負極發生短路甚至起火。

除了提高安全性，這種設計還讓電池在0.25mA/cm²電流密度、室溫的情況下，循環使用1800小時，性能表現遠超單一固態電解質的電池。

“三明治”固態電池，行業內啥水平？

首先要理解什麼是固態電池。

固態電池，就是指採用固態電解質的鋰離子電池。

工作原理上，固態鋰電池和傳統的鋰電池並無區別。

兩者最主要的區別在於固態電池電解質為固態，相當於鋰離子遷移的場所轉到了固態的電解質中。

一般按照正負極材料的不同，固態電池還可以分為固態鋰離子電池、固態鋰金屬電池（以金屬鋰為負極）。

產業鏈方面，固態電池產業鏈與液態鋰電池大致相似，兩者主要的區別在於中上游的負極材料和電解質不同，在正極方面幾乎一致。

固態電池核心優勢首先是高能量密度。理論上其單體能量密度最高能達到900Wh/kg，有望徹底解決里程焦慮問題。

其實目前的動力電池已經能達到1000公里續航，比如寧德時代就有相關產品。

但這是在電池包結構、製造工藝上投入大量成本換取的有限進展，這條路線的上限不高。

而固態電池的1000公里續航，其實是一件很容易的事，也就允許企業把更多成本投入安全、能源效率等等方面。

其次是高安全性，許多無機固體電解質材料不可燃，聚合物固體電解質存在一定可燃風險，但相較於電解液安全性也大幅提高。

基於這兩點，固態電池也被認為是未來動力電池最有希望的發展方向之一。

目前的階段，固態電池仍然處在研發試制，國內外都有重要玩家跟進。

據前瞻產業研究院梳理，目前全球範圍內約有50多家製造企業、初創公司和高校科研院所推進固態電池技術。

歐美車企對固態電池初創企業關注度較高，車企通過收購、投資在固態電池領域中的初創企業如Solid Power、SolidEnergy Systems、Ionic Materials等以獲得技術儲備。

日韓方面，日本車企在固態電池上的研發起點相對較早，最早入局的豐田在2008年就與固態電池創企伊利卡（Ilika）展開了合作，三菱、日產、松下等大部分企業也紛紛加速佈局固態電池行業，爭取早日實現量產。

國內方面，國內企業不及西方起步早，但越來越多的企業已經參與其中，參與主體包括贛鋒鋰業、寧德時代等電池企業；更有其他領域企業看好固體電池跨界投資，如以汽車零部件為主的萬向集團、新能源汽車比亞迪等。

不過，固態電池的產業化，依然存在不小的挑戰。

首先是需要重塑電池行業供應鏈。

其次，固態電池採用的預鋰化矽碳負極或遠景金屬鋰負極、高鎳正極、固態電解質等新科技材料生產成本遠高於目前對應的材料，降本之路極其艱鉅漫長。

第三點，是固態電池本身的快充效率不佳。一般固態電解質導電率僅為電解液十分之一，的確影響實際應用。

所以“三明治”固態電池，其實就是在充電這個問題上取得了重大進展。

最快3分鐘內充滿，並且能循環充放1萬次，超越了目前絕大部分量產在用的普通鋰離子電池。

研究團隊介紹

論文第一作者是葉露涵。

本科畢業於電子科技大學能源科學與工程學院，學的是新能源材料與器件專業。

2017年本科畢業後拿到哈佛大學全額獎學金直博，進入李鑫教授課題組研究鋰金屬電池。

來自成都電子科技大學官微，最左邊是葉露涵

李鑫教授在他申請哈佛大學的推薦信裡，這樣評價道：

葉露涵在本科期間接受了良好的學術訓練，有超越一般本科生的創造性和對於科研的熱情。他表現出的科研水平讓我相信他具有成為哈佛或MIT博士生的潛質。事實上，在我見過的本科生當中他的科研表現是出類拔萃的。

他在本科期間，履歷表現為：

被評選為2016年度成電傑出學生、四川省優秀畢業生。連續兩年排名專業第一，三年綜合素質排名專業第一，兩次獲得國家獎學金、唐立新獎學金、人民一等獎學金。

一共發表10篇SCI文章，其中以第一作者發表5篇SCI論文，包括但不限於Advanced Energy Materials （影響因子15.23）、Journal of Power Sources（影響因子6.33）等國際期刊。

來自成都電子科技大學官微

參與國家自然科學基金1項、省自然基金1項，主持校級創新創業科研基金1項；擔任電子科技大學能源學院先進能源材料實驗室研究助理，協助導師建立和管理實驗室。

還曾與鋰離子電池發明人、德州大學奧斯汀分校教授J. Goodenough合作，在燃料電池領域發表氣體擴散相關的文章。

與劍橋大學教授K. Zhang、布朗大學教授布魯克海文國家實驗室助理主任J. Dickersion合作，共同開發電化學沉積方法在能源存儲與轉化領域的技術。

與哈佛大學李鑫教授課題組合作開展了功能化鋰離子電池、固態電解質相關課題研究。

此外，他還申請了一項中國專利、一項美國專利，並且多項成果受到國家能源新材料技術研發中心、公司等資助總計超60萬。

論文的通訊作者是李鑫，在哈佛大學約翰·A·鮑爾森工程與應用科學學院擔任材料科學副教授。

在這之前，他2003年本科畢業於南京大學物理學專業，2010年博士畢業於美國賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程專業。

他目前在哈佛帶的課題研究組，主要專注於通過合成、測試、表徵和仿真等方式來設計下一代儲能材料。

同時結合電化學、顯微鏡、光譜學、第一性原理計算和人工智能，以此來獲得與材料性能相關性最強的研究發現，用這些來指導新型儲能材料的設計，其中就包括鋰離子電池或鈉離子電池的下一代正負極材料和固態電解質。

與此同時，李鑫教授與他指導的眾多學生，於去年一同成立了一家電池初創公司，名叫Adden Energy。葉露涵就在該公司擔任首席技術官。

今年年初，該公司宣布完成515萬美元（折合人民幣約為3609萬元）的種子輪融資，由春華資本（Primavera Capital Group）領投，Rhapsody Partners和MassVentures跟投。

最近，這家初創公司被哈佛大學技術開發辦公室授予了獨家技術許可。

技術許可證+最新融資，意味著他們已經初步具備了商業化的條件，能夠將實驗室的成果落地為產品。

李鑫教授表示非常看好固態電池，“如果你想大力推廣電動車，固態電池是必經之路”。

之所以這麼有信心，他給出的原因是：

我們的技術遠超其他固態電池。

我們的電池充放電循環可以達到5,000~10,000次，而現在即便是同類產品中最好的也只能做到2,000~3,000次。

量產方面，我們沒看到有什麼限制性因素。一旦它進入市場，可能會改變遊戲規則。