固態電池迎來技術新突破。只需要10分鐘，就可充滿電。且在充放電循環6000次後，電池有效容量還有80%，優於市面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。

什麼樣的固態電池

目前常見的鋰離子電池，負極多為石墨材料，優點是製程成熟，運用廣泛，但缺點是理論比容量不高，為372mAh/g，商業化後大概會更低一點。

這也是為什麼現今的鋰離子電池，特別是液態鋰離子電池想要增加能量密度、續航里程，往往有上限。

因此，能量密度較高的固態電池一直被認為是鋰離子電池的終極形態，是當下產業發展的方向。

而固態電池一大熱門負極材料就是鋰，理論比容量高達3860mAh/g，並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），但在充放電中會產生劇烈體積變化，容易導致電池失效。

但使用鋰電子作為負極有一個最大問題就是鋰枝晶，也是電池短路失效、熱失控等嚴重後果的元兇。

雖然固態電池使用固態電解質，對於鋰枝晶的生長有一定抑製作用，但各類固態電解質的抑制效果不一，什麼樣的固態電解質是最優解現在也沒定論。

而且，使用什麼樣的固態電解質也是目前固態電池熱門的研究方向之一。

對此，論文的哈佛團隊使用了一種獨特方式：在鋰金屬負極上，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態電池。

團隊使用鎳鈷錳（NMC83），以及SiG複合材料保護的鋰金屬製作了一個固態電池包，尺寸為28X35平方毫米，遠大於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，該固態電池在5C的充電和放電倍率下循環，初始容量為125mAh/g。

如圖所示，2000次充放電循環後容量保持率為92%，3000次循環後為88%，6000次循環後仍為80%，這個表現優於市面上其他的軟包電池。

並且，在不考慮壓力夾具的情況下，該軟包電池的能量密度已達到218Wh/kg，超過當下主流大部分鋰離子電池的能量密度。

而論文作者表示，未來還能透過減少隔板厚度、降低工作壓力、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此SiG複合材料加入後，固態電池包具有的高效能。

實際上，在固態電池中植入人工固態電解質界面層（SEI），提升固態電池的性能並不是什麼新鮮事，那麼為什麼這樣的SiG材料就能實現性能突破？

材料關鍵：微米級矽顆粒

眾所周知，鋰離子電池充放電的過程，就是電池陽極反覆得到和失去鋰離子的過程（或者說嵌入和脫嵌）。

也就是說，如何在電池陽極快速、均勻、穩定地鍍上或剝離鋰，是該電池能否商業化的關鍵。

團隊在實驗過程中發現，在負極鋰上增加由微米尺寸的矽構成的複合材料，恰好可以滿足這項要求。

論文透過透射電子顯微鏡（TEM）和能量色散譜（EDS）等技術發現，在電池循環過程中，鋰離子只和淺層的矽發生反應：

同時矽顆粒的外形沒有明顯變化：

這意味著微米級的矽顆粒並不會因為矽化反應膨脹，鋰化反應得到抑制；同時也不會提供有利於鋰枝晶生長的環境，或抑制鋰枝晶的生長。

並且，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於鋰離子的嵌入和脫嵌，能有效提高電極容量，進一步提高電池的整體容量。

論文作者使用硫化電解質，和由SiG複合材料保護的鋰金屬製造的固態電池，放電容量達到5600mAh/G，比理論容量4200mAh/G高出很多。

而且，也由於鋰離子的電鍍和剝離可以在平坦的矽表面上快速發生，電池只需要約10分鐘就可充滿電。

另外，論文中也對材料的鋰化反應提出了一個新的衡量標準：每單位有效模量（Keff）的鋰化組成（lithiation composition per Kcrit）。

論文中指出，每種材料都有一個對應的臨界模量，超過這個模量，鋰化反應就會被有效抑制。因此在固態電池的材料選擇中，可以選擇臨界模量較低的那種。

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

本文團隊為全華班，五位作者皆來自哈佛大學約翰‧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，研究方向包括固態電池、鋰金屬陽極、電化學等。

Lu Yang同樣在2022年在哈佛大學取得材料工程專業研究生學位（Postgraduate Degree），在這段期間也擔任助理研究員。

Lu Yang本科畢業於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，分別是電機工程專業和材料科學與工程專業。

第三位作者Wang Yichao，2017年本科畢業於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年畢業於南京大學物理專業，後來在賓州大學取得材料科學與工程博士學位，也曾在加州理工與麻省理工當博士後研究員。

2015年Li Xin加入哈佛，後來建立Li Xin實驗室，先前曾開發出壽命週期達1萬次、3分鐘可充滿電的固態電池。

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，專注將實驗室結果推進量產落地。

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，推動該技術的量產落地。據Li Xin透露，公司已經擴大該技術的規模，能夠製造出智慧型手機大小的軟包電池。

對於這項新的技術突破，有網友表示非常好。他認為這就是朝著正確的方向前進，電池的續航里程沒有那麼重要，充電時間才是關鍵。

不過也有網友指出，如此短的充電時間意味著更高的充電功率。

例如要在5分鐘內要讓容量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並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。