哈佛大學(xué)華人教授搞了個(gè)新型固態(tài)電池，成果已發(fā)表在Nature雜志上——

(資料圖片僅供參考)

充放電循環(huán)高達(dá)1萬(wàn)次，最快3分鐘充滿電。

相較而言，目前最好的固態(tài)電池循環(huán)次數(shù)為2000~3000次。

主要原因在于，他們?cè)O(shè)計(jì)出一種“三明治”電池結(jié)構(gòu)，哪怕在20mA/cm2這樣的超高電流密度下，也不會(huì)出現(xiàn)鋰枝晶穿透現(xiàn)象。

就在最近，這位教授成立的初創(chuàng)公司，被哈佛授予了獨(dú)家許可，目前已融資515萬(wàn)美元（約3570萬(wàn)元人民幣）。

實(shí)驗(yàn)室的最新成果，正在大步邁向商業(yè)化落地……

支持1萬(wàn)次充放電循環(huán)？

研究成果，發(fā)表在Nature雜志上。

這種新型固態(tài)電池，在20C充電倍率（8.6mA/cm2）下充放電循環(huán)1萬(wàn)次后，電池容量剩余82%。

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

同時(shí)可以在微米級(jí)正極材料中實(shí)現(xiàn)110.6kW/kg的功率密度和631.1Wh/kg的能量密度。

最新報(bào)道稱，這種固態(tài)電池最快3分鐘可充滿電。當(dāng)時(shí)這篇論文給出的結(jié)果是，10~20分鐘內(nèi)完成充電。

之所以能大幅提升電池的循環(huán)性能，主要?dú)w功于電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新——他們?cè)O(shè)計(jì)了一種類似三明治的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

從左到右依次是：

鋰金屬陽(yáng)極→石墨→LPSCI→LGPS→LPSCI→石墨→NMC811陰極

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

石墨介于鋰金屬陽(yáng)極和第一層固態(tài)電解質(zhì)之間，主要用于隔熱。

值得一提的是，如果沒有石墨或金屬銦這樣的保護(hù)層，電壓一升高，電池（鋰金屬為陽(yáng)極，LGPS為電解質(zhì)）就容易短時(shí)間內(nèi)失效。

如圖所示，三層固態(tài)電解質(zhì)厚度相當(dāng)。

夾在兩邊的第一層固態(tài)電解質(zhì)為L(zhǎng)i5.5PS4.5Cl1.5（LPSCI），特點(diǎn)在于對(duì)鋰金屬表現(xiàn)較為穩(wěn)定，但容易發(fā)生鋰枝晶穿透。它的存在能夠穩(wěn)定鋰金屬和石墨層的主要界面，并降低整體過電位。

夾在中間的第二層電解質(zhì)為L(zhǎng)i10Ge1P2S12（LGPS），對(duì)鋰不那么穩(wěn)定，但不易發(fā)生鋰枝晶穿透。

中間這層電解質(zhì)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(xiàn)。

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

電池反復(fù)多次充放電，陶瓷顆粒中會(huì)頻繁產(chǎn)生微米或亞微米級(jí)裂紋。裂紋一旦形成，鋰枝晶穿透及短路現(xiàn)象就難以避免。

“三明治”中間的這層固態(tài)電解質(zhì)，恰好讓鋰枝晶無(wú)法刺穿整個(gè)電池，從而避免了電池正負(fù)極發(fā)生短路甚至起火。

除了提高安全性，這種設(shè)計(jì)還讓電池在0.25mA/cm2電流密度、室溫的情況下，循環(huán)使用1800小時(shí)，性能表現(xiàn)遠(yuǎn)超單一固態(tài)電解質(zhì)的電池。

“三明治”固態(tài)電池，行業(yè)內(nèi)啥水平？

首先要理解什么是固態(tài)電池。

固態(tài)電池，就是指采用固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池。

工作原理上，固態(tài)鋰電池和傳統(tǒng)的鋰電池并無(wú)區(qū)別。

兩者最主要的區(qū)別在于固態(tài)電池電解質(zhì)為固態(tài)，相當(dāng)于鋰離子遷移的場(chǎng)所轉(zhuǎn)到了固態(tài)的電解質(zhì)中。

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

產(chǎn)業(yè)鏈方面，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈與液態(tài)鋰電池大致相似，兩者主要的區(qū)別在于中上游的負(fù)極材料和電解質(zhì)不同，在正極方面幾乎一致。

固態(tài)電池核心優(yōu)勢(shì)首先是高能量密度。理論上其單體能量密度最高能達(dá)到900Wh/kg，有望徹底解決里程焦慮問題。

其實(shí)目前的動(dòng)力電池已經(jīng)能達(dá)到1000公里續(xù)航，比如寧德時(shí)代就有相關(guān)產(chǎn)品。

但這是在電池包結(jié)構(gòu)、制造工藝上投入大量成本換取的有限進(jìn)展，這條路線的上限不高。

而固態(tài)電池的1000公里續(xù)航，其實(shí)是一件很容易的事，也就允許企業(yè)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(wú)機(jī)固體電解質(zhì)材料不可燃，聚合物固體電解質(zhì)存在一定可燃風(fēng)險(xiǎn)，但相較于電解液安全性也大幅提高。

基于這兩點(diǎn)，固態(tài)電池也被認(rèn)為是未來(lái)動(dòng)力電池最有希望的發(fā)展方向之一。

目前的階段，固態(tài)電池仍然處在研發(fā)試制，國(guó)內(nèi)外都有重要玩家跟進(jìn)。

據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院梳理，目前全球范圍內(nèi)約有50多家制造企業(yè)、初創(chuàng)公司和高?？蒲性核七M(jìn)固態(tài)電池技術(shù)。

歐美車企對(duì)固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè)關(guān)注度較高，車企通過收購(gòu)、投資在固態(tài)電池領(lǐng)域中的初創(chuàng)企業(yè)如Solid Power、SolidEnergy Systems、Ionic Materials等以獲得技術(shù)儲(chǔ)備。

日韓方面，日本車企在固態(tài)電池上的研發(fā)起點(diǎn)相對(duì)較早，最早入局的豐田在2008年就與固態(tài)電池創(chuàng)企伊利卡（Ilika）展開了合作，三菱、日產(chǎn)、松下等大部分企業(yè)也紛紛加速布局固態(tài)電池行業(yè)，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

國(guó)內(nèi)方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)不及西方起步早，但越來(lái)越多的企業(yè)已經(jīng)參與其中，參與主體包括贛鋒鋰業(yè)、寧德時(shí)代等電池企業(yè)；更有其他領(lǐng)域企業(yè)看好固體電池跨界投資，如以汽車零部件為主的萬(wàn)向集團(tuán)、新能源汽車比亞迪等。

不過，固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化，依然存在不小的挑戰(zhàn)。

首先是需要重塑電池行業(yè)供應(yīng)鏈。

其次，固態(tài)電池采用的預(yù)鋰化硅碳負(fù)極或遠(yuǎn)景金屬鋰負(fù)極、高鎳正極、固態(tài)電解質(zhì)等新科技材料生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于目前對(duì)應(yīng)的材料，降本之路極其艱巨漫長(zhǎng)。

第三點(diǎn)，是固態(tài)電池本身的快充效率不佳。一般固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)電率僅為電解液十分之一，的確影響實(shí)際應(yīng)用。

所以“三明治”固態(tài)電池，其實(shí)就是在充電這個(gè)問題上取得了重大進(jìn)展。

最快3分鐘內(nèi)充滿，并且能循環(huán)充放1萬(wàn)次，超越了目前絕大部分量產(chǎn)在用的普通鋰離子電池。

研究團(tuán)隊(duì)介紹

論文第一作者是葉露涵。

本科畢業(yè)于電子科技大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，學(xué)的是新能源材料與器件專業(yè)。

2017年本科畢業(yè)后拿到哈佛大學(xué)全額獎(jiǎng)學(xué)金直博，進(jìn)入李鑫教授課題組研究鋰金屬電池。

△來(lái)自成都電子科技大學(xué)官微，最左邊是葉露涵

李鑫教授在他申請(qǐng)哈佛大學(xué)的推薦信里，這樣評(píng)價(jià)道：

葉露涵在本科期間接受了良好的學(xué)術(shù)訓(xùn)練，有超越一般本科生的創(chuàng)造性和對(duì)于科研的熱情。他表現(xiàn)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(zhì)。事實(shí)上，在我見過的本科生當(dāng)中他的科研表現(xiàn)是出類拔萃的。

他在本科期間，履歷表現(xiàn)為：

被評(píng)選為2016年度成電杰出學(xué)生、四川省優(yōu)秀畢業(yè)生。連續(xù)兩年排名專業(yè)第一，三年綜合素質(zhì)排名專業(yè)第一，兩次獲得國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金、唐立新獎(jiǎng)學(xué)金、人民一等獎(jiǎng)學(xué)金。

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

△來(lái)自成都電子科技大學(xué)官微

參與國(guó)家自然科學(xué)基金1項(xiàng)、省自然基金1項(xiàng)，主持校級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)科研基金1項(xiàng)；擔(dān)任電子科技大學(xué)能源學(xué)院先進(jìn)能源材料實(shí)驗(yàn)室研究助理，協(xié)助導(dǎo)師建立和管理實(shí)驗(yàn)室。

還曾與鋰離子電池發(fā)明人、德州大學(xué)奧斯汀分校教授J. Goodenough合作，在燃料電池領(lǐng)域發(fā)表氣體擴(kuò)散相關(guān)的文章。

與劍橋大學(xué)教授K. Zhang、布朗大學(xué)教授布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室助理主任J. Dickersion合作，共同開發(fā)電化學(xué)沉積方法在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的技術(shù)。

與哈佛大學(xué)李鑫教授課題組合作開展了功能化鋰離子電池、固態(tài)電解質(zhì)相關(guān)課題研究。

此外，他還申請(qǐng)了一項(xiàng)中國(guó)專利、一項(xiàng)美國(guó)專利，并且多項(xiàng)成果受到國(guó)家能源新材料技術(shù)研發(fā)中心、公司等資助總計(jì)超60萬(wàn)。

論文的通訊作者是李鑫，在哈佛大學(xué)約翰·A·鮑爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院擔(dān)任材料科學(xué)副教授。

在這之前，他2003年本科畢業(yè)于南京大學(xué)物理學(xué)專業(yè)，2010年博士畢業(yè)于美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)。

他目前在哈佛帶的課題研究組，主要專注于通過合成、測(cè)試、表征和仿真等方式來(lái)設(shè)計(jì)下一代儲(chǔ)能材料。

同時(shí)結(jié)合電化學(xué)、顯微鏡、光譜學(xué)、第一性原理計(jì)算和人工智能，以此來(lái)獲得與材料性能相關(guān)性最強(qiáng)的研究發(fā)現(xiàn)，用這些來(lái)指導(dǎo)新型儲(chǔ)能材料的設(shè)計(jì)，其中就包括鋰離子電池或鈉離子電池的下一代正負(fù)極材料和固態(tài)電解質(zhì)。

與此同時(shí)，李鑫教授與他指導(dǎo)的眾多學(xué)生，于去年一同成立了一家電池初創(chuàng)公司，名叫Adden Energy。葉露涵就在該公司擔(dān)任首席技術(shù)官。

今年年初，該公司宣布完成515萬(wàn)美元（折合人民幣約為3609萬(wàn)元）的種子輪融資，由春華資本（Primavera Capital Group）領(lǐng)投，Rhapsody Partners和MassVentures跟投。

最近，這家初創(chuàng)公司被哈佛大學(xué)技術(shù)開發(fā)辦公室授予了獨(dú)家技術(shù)許可。

技術(shù)許可證+最新融資，意味著他們已經(jīng)初步具備了商業(yè)化的條件，能夠?qū)?shí)驗(yàn)室的成果落地為產(chǎn)品。

李鑫教授表示非?？春霉虘B(tài)電池，“如果你想大力推廣電動(dòng)車，固態(tài)電池是必經(jīng)之路”。

之所以這么有信心，他給出的原因是：

我們的技術(shù)遠(yuǎn)超其他固態(tài)電池。我們的電池充放電循環(huán)可以達(dá)到5,000~10,000次，而現(xiàn)在即便是同類產(chǎn)品中最好的也只能做到2,000~3,000次。量產(chǎn)方面，我們沒看到有什么限制性因素。一旦它進(jìn)入市場(chǎng)，可能會(huì)改變游戲規(guī)則。

關(guān)鍵詞： 鋰離子電池 哈佛大學(xué) 初創(chuàng)公司