哈佛鋰負極電池問世，充電3分鐘循環10000次，或改變遊戲規則？

今天看到美國哈佛大學李鑫教授的團隊，開發了一款新的固態電池，直接用鋰金屬作爲負極，可以在10分鐘內完成充電，並且循環6000次後仍有80%以上的電量，遠遠超過目前主流的鋰離子電池，優於市場上的其他軟包電池。研究人員聲稱，這是朝着工業和商業應用固態電池邁出的重要一步，業界媒體認爲這將是電動汽車真正的遊戲規則改變者。哇，如此高的評價，這款電池真的有這麼牛嗎？

很多朋友可能都知道，用鋰金屬做負極是動力電池的聖盃和終極夢想，因爲它的容量是現有石墨負極的10倍，這意味着在電池重量相同的情況下，可以將電動汽車續航里程直接增加10倍，有了這樣的電池，誰還會去買燃油車呢？地球變暖禍害生命的難題也就迎刃而解了。

但鋰金屬負極也是科研人員的可怕夢魘，因爲鋰金屬極爲活躍，扔到水裏都可能燃燒爆炸，要想馴服它，讓它心甘情願地做電池負極，簡直就是比登天還難，而且它在充放電過程中會產生鋰枝晶，並且會“自我膨脹”導致遍體鱗傷，用不了幾次就沒命了，誰又敢去買用這種電池的電動汽車呢？一個人再傻也不會傻到跟自己的錢和命過不去吧。

哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院李鑫教授、Luhan Ye博士領導的團隊，經過多年的研究，可能已經解決了這個登天難題，開發出了利用鋰金屬負極製造固態電池的新方法。這項研究發表在1月8日的《自然-材料》雜誌上，並已授權給他們早些年成立的阿登能源公司（Adden Energy），目前已生產出智能手機所用大小的固態電池，預計三到五年就可以擴展到電動汽車所用的全尺寸固態電池。

朋友們可能都知道，鋰金屬的理論比容量是3860mAh/g，石墨是372mAh/g，所以鋰金屬負極的容量是石墨的10倍。目前市場鋰離子電池中，石墨負極約佔70%，容量也接近了理論值，瓶頸效應已經非常明顯了。雖然電動汽車現在熱火朝天，但就是有很多人不買賬，無非就是三大焦慮，充電慢、續航短、怕燃爆。而現有鋰離子電池可以說已經到了天花板，很難解決這些問題，所以市場迫切需要一種新的電池突破來打消人們的顧慮，點燃購買電動汽車的熱情。

總體來說目前主要有兩種負極材料解決方案。

一種是硅負極，理論比容量最高達4200mAh/g，也是石墨的10倍以上，但它充放電過程中的結構膨脹也是非常厲害，所以無法直接作爲負極材料使用，很多研究通過摻雜、複合、硅氧化、納米化等方式進行改性，從而製造出優於現今鋰離子電池的硅負極電池，像特斯拉的4680就已經量產，能量密度達到了300Wh/kg。松下去年底也宣佈要使用納米硅粉生產充電10分鐘，續航800公里的鋰離子電池，但具體什麼時候開始生產還是一個未知數。

另一種就是鋰金屬負極了，不僅具有3860mAh/g的比容量，還有所有材料中最低的電極電位-3.04V，而且鋰的密度也極小，比水還低，只有0.53g/cm^3，因而被認爲是最具潛力的負極材料。然而鋰金屬負極有三大致命問題，限制了它的發展空間。

一是鋰枝晶，在不斷的充放電過程中，鋰負極表面極易形成鋰枝晶，長到一定程度甚至可能刺穿隔膜，導致電池短路等安全隱患。

二是“死鋰”，由於在放電過程中，鋰枝晶根部電流密度更大，容易發生斷裂，導致枝晶轉化爲不可利用的“死鋰”，加速電池的性能衰減和壽命縮短。

三是金屬鋰異常活潑，化學穩定性不好，容易和氧氣水分等發生反應，加大了生產過程中的難度。

哈佛大學的創新，把金屬鋰和硅結合起來做負極，通過在微米級的硅顆粒表面鍍上一層均勻的鋰金屬層，讓鋰離子在充電過程中從正極移動到負極時，鋰化反應被限制在淺表面，電流密度均勻地分佈在上面，從而可以阻止鋰枝晶的形成。根據科學家們的說法，鋰金屬包裹在硅顆粒表面，就像巧克力裹在榛子表面形成殼一樣。由於充放電時，脫鋰和嵌鋰是在平坦的硅顆粒表面發生，這個過程可以很快，所以充電速度也很快，大約只需10分鐘即可。

在2022年發表的更早的研究中，哈佛大學團隊甚至認爲，這種固態電池充電時間只需要3分鐘，壽命可以達到10000次以上，並表現出高能量密度和穩定性，沒有尺寸上的限制，因此可以在三到五年內轉化爲成熟的商業化電動汽車電池，很可能會改變行業規則。

不僅如此，科學家們還研究了硅限制鋰擴散形成均勻厚鍍鋰層特性的過程，解釋了這種過程的可能潛在機制，並找到了數十種具有類似性能的無機材料，爲開發新的電池技術提供了更多的可能性。

不過我沒有看到這種固態電池的能量密度等關鍵數據，所以可能還處於最初的研發階段，未來會如何發展還是一個未知數。而且全球多家知名企業都已開發出了固態電池，還有數據比這更好的，像是豐田、松下、中國的廣汽集團等，都宣佈將在2025年到2027年開始量產固態電池，還有美國的QuantumScape，更是推出了無負極的鋰金屬固態電池，15分鐘可充到80%的電量，行駛50萬公里後仍保持95%的容量，並且能量密度和續航提高了將近一倍，最早有可能在今年就開始量產。

所以固態電池可能確實是未來的方向，但究竟是鋰負極、硅負極還是其他負極，固態電解質是聚合物、氧化物還是硫化物，目前都還處於羣雄亂戰的時代，殺到最後可能才能見真章。但一個奇怪的現象是，這場廝殺的戰場，似乎並不在現在佔據鋰離子電池絕對壟斷地位的中國，卻讓人有些百思不得其解，難道中國的電池巨頭們都安於現狀，不思進取？但我看到說幾家都在研發固態電池，而且各種技術路線齊頭並進，所以或許可能只是低調的沉默？

但中國企業確實很務實是明擺的，在革命性的、改變遊戲規則的電池還沒有出來之前，已有企業開發升級版，或者說是過渡版的鋰電池，先喫一嘴。比如有車企推出了半固態電池，能量密度顯著提升，並且裝車運行後，真實續航里程達到了1000公里以上。寧德時代據說也馬上要推出神祕的凝聚態電池，具體數據是什麼目前還不知道。

所以哈佛大學的這項研究，我感覺纔剛剛濺起浪花，究竟能不能發展爲巨浪，可能還有很長的路要走，那麼到2030年代固態電池取代鋰離子電池後，誰會成爲現在的寧德時代呢？歡迎朋友們留言討論。