新型固態電池，同時攻克鋰離子電池三大缺陷

關鍵詞：電池；固態電解質；鹼金屬電極；快速充電

翻譯 | 龔聰

得克薩斯大學奧斯汀分校科克雷爾工程學院教授，鋰電池的發明人之一，94歲的John Goodenough帶領的工程師團隊研製出了首個全固態電池。這種更安全、充電更快、使用壽命更長的充電電池將為智能手機、電動汽車和能源存儲站提供新的選擇。

John Goodenough，鋰電池的發明人之一，在他的電池材料實驗室里 來源：科克雷爾工程學院

Goodenough，跟科克雷爾學院高級研究員Maria Helena Braga共同實現了這項突破。他們研製的低成本全固態電池優點在於：不僅沒有燃燒風險，而且使用壽命長，體積能量密度高，充放電速度快。這項研究成果發表在《能量和環境》期刊上。

「成本、安全性、能量密度、充放電速率和使用壽命是決定電動汽車能否被公眾接納的重要因素。我們相信這項成果解決了今天電池面臨的很多問題。」Goodenough說。

研究人員的演示表明這種新電池的能量密度是當今鋰電池的三倍。對電動汽車而言，電池的能量密度決定了它的行駛里程，電池的能量密度越高，每次充電後汽車就能跑得越遠。這種新電池的配方還增加電池的充放電次數，進而延長了電池的使用壽命。另外，新電池的充電速度更快（幾分鐘之內，不再是以往的幾個小時）。

當今的鋰電池用的是液體電解質將鋰離子從陽極（電池的負極）傳遞到陰極（電池的正極）。如果電池充電過快，電池中會形成枝晶，也叫「金屬晶須」，並穿透液體電解質形成短路，可能導致爆炸或火災。摒棄液體電解質後，研究人員使用了一種玻璃電解質，後者允許研究人員用鹼金屬做電極，並且不會有枝晶的形成。

在傳統電池中，鹼金屬（鋰、鈉、鉀）是不能用作電極的。但在全固態電池裡，鹼金屬電極增加了陰極的能量密度，還延長了電池的使用壽命。研究人員在實驗室中觀察到這種電池在保持低槽電阻的情況下能充放電1200餘次。

另外，因為固態電池的電解質在零下20攝氏度下還能保持較高的電導率，使用這種電池的汽車在零度以下的環境中仍然可以正常運行。這種全固態電池在零下60攝氏度下也能工作。

科克雷爾學院高級研究員Braga在葡萄牙波爾圖大學時開始研製固態電解質電池。兩年前，她開始跟Goodenough教授、奧斯汀德州大學研究員Andrew J. Murchison合作進行這一課題。Braga還透露，正是Goodenough教授對固態玻璃電解質的組成和性質的理解讓它得以應用到電池中，這項技術已被奧斯汀德州大學技術商業化辦公室申請了專利保護。

這種玻璃電解質允許研究人員將鹼金屬電鍍到陽極和陰極上，不用擔心枝晶的形成，同時也簡化了電池製造過程。

這種電池另一個優點是，製造材料不會影響環境。「玻璃電解質可以用鈉替代鋰，而鈉廣泛分布在海水中，很容易獲得。」Braga說。

Goodenough教授和Graga還在繼續進行電池研究，並申請相關專利。下一步，他們希望與電池製造商合作，開發和測試為電動汽車和能源存儲裝置提供的新型電池。