对于电动汽车市场的扩张来说，拥有续航持久、充电快速的电池是必不可少的。可是现如今的锂离子电池在这两个方面表现得都差强人意：过重，充电过慢，成本也过高。
数十年来，研发人员都在尝试挖掘固态锂金属电池的潜力。因为与传统锂离子电池相比，固态锂金属电池在同等体积下可以存储更多的能量，充电所需的时间也更短。
「锂金属电池由于其极高的容量和能量密度被认为是电池化学领域的圣杯。」哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的材料学助理教授李欣（音译）说到。「但是这种电池的稳定性一直不尽如人意。」
多层式固态电池与传统固态电池对比，上方银色为锂阳极现在，李教授和他的团队设计出了一种稳定的固态锂金属电池，这个电池经过超过10000次的循环充电后仍然可以保持较高的电流密度，这个数据远超出之前所预测的循环次数。研发团队在这个电池中使用的新的设计和商用高能量密度的阴极金属。
这种技术可以在不更换电池的情况下使电动汽车拥有与燃油车相同的使用寿命，大概是15到20年。由于其超高的电流密度，使用这款电池的电动汽车可以在10到20分钟内完全充满电。他们在《Natrue》上发布了这个研究成果。
「我们的研究表明，固态电池与液态电解质电池可能在本质上就有所不同。」李教授说。「通过研究固态电池的基础热动力学，我们可以挖掘出更多的性能，完全驾驭固态电池让它能为我们所用。」
固态锂金属电池所面临的阻碍一直都是化学方面的。锂电池在充电时会把锂离子从阴极移动到阳极，当阳极使用的是锂金属时，阳极表面会生成针状结构的枝晶。这些枝晶会扎根生长，刺穿电解液和阳极阴极中间的隔膜，这会导致电池内短路甚至会引发起火。
为了克服这一阻碍，李教授和他的团队在电池设计上采取了多层式结构，阴极与阳极用多种不同稳定性的材料分开。这样设计的电池会通过控制和收容来防止枝晶引发事故，而不是从根源上防止枝晶产生。这种电池就像是三明治一样：最上面是第一层面包-锂金属阳极，第二层是生菜-石墨涂层，在下面是一层西红柿-第一层电解质，一层培根-第二层电解质，最后是另一层面包-阴极。
第一层电解质(化学名称 Li5.5PS4.5Cl1.5或LPSCI)与锂共存时稳定好但是易于被枝晶刺穿，第二层电解质(化学名称Li10Ge1P2S12 or LGPS)与锂共存时稳定性较差但是不会被枝晶刺穿。在这种设计中，枝晶生长时会刺穿石墨涂层和第一层电解质，但是会被第二层电解质阻拦住。继续用三明治举例的话就是，生菜和西红柿被刺穿了，但是培根不会，这防止了电池被刺穿然后内短路。
「我们的策略是通过整合不稳定的材料来增加电池的稳定性，这样听起来不合常理，但是就像一个锚点可以控制并引导螺丝钻孔一样，我们的多层设计也可以引导并控制枝晶的生长。」SEAS的研究生同时也是该文章的第二作者叶鲁涵（音译）这样说道。「不同的是我们的锚点在深处会快速变紧，所以枝晶的生长就停止了。」这种电池还可以进行自修复，化学物质会自动回流填补上被刺穿的洞。
「这个理论变为实际的设计展示了固态锂金属电池在与商用液态锂电池竞争时所拥有的竞争力。」李博士说，「而且，多层设计的柔软性与通用性使得我们的电池与通用电池工业生产会有较高的兼容性。虽然让我们的电池实现商用并不是一件容易的事，而且过程中还会有一些实际的挑战，但是我们仍然相信我们可以克服这些困难并最终成功。」
原文链接：https://techxplore.com/news/2021-05-long-lasting-stable-solid-state-lithium-battery.html
