取代鋰離子電池的最佳選擇 固態電池將會很快來到我們的智能機上

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鋰離子電池(Li-ion batteries)是現在智能手機和其他大多數其他電池驅動設備的所用的可充電電池。但是問題是，儘管鋰離子電池被用在了很多電子設備里，但其能量密度有限，使用壽命相當短，而且如果損壞或充電不當，可能會引發火災。最近幾年科學家們也在想著將鋰電池技術轉向固態電池技術，這些缺點可能在不遠的將來迎刃而解。

哥倫比亞大學的一個工程團隊進行了一項新的研究，發現了一種使金屬鋰中固體電解質穩定的方法，也就是研發固態電池。利用氮化硼納米塗層可以生產出比石墨鋰離子電池充電能力高約10倍的電池。此外，常用於固態電池設計的陶瓷電解質是不易燃的，大大減少了安全隱患。

固態電池技術並不是一個剛出來的全新概念，但是固態電池技術的製造材料、設計安全、成本和生產技術都阻礙了這項技術的廣泛應用。為了理解原因，讓我們接下來稍微了解一下傳統鋰離子電池的一些常規知識，以及固態電池技術的新穎點以及難點在何處。

樹突的問題

除了成本，樹突也是固態電池技術需要解決的問題。樹突是一種晶體狀的鋰金屬沉積，通常從陽極開始，並能在整個電池中蔓延。這是由於高電流充放電造成的，固體電解質中的離子與電子結合形成一層固態金屬鋰。

樹突的堆積會降低電池的可用電解質容量，降低了電池的儲存電量。更危險的是，大量的樹突堆積最終會穿過物理上分隔陽極和陰極的固體電解質層，導致短路使電池發生故障，並可能引發火災。

樹突可能導致電池短路

現在的鋰離子電池主要通過使用液體電解質來導電，而不是使用固體金屬來讓離子更緊密安排在一起，從而獲得更大的電池容量，也從而避免了樹突問題。但是要注意的是，這種液體是易燃的，會導致鋰離子電池在高壓、高溫或電流下燃燒。石墨通常被用於鋰陽極材料中，以犧牲最大的充放電流量為代價，提供長期的穩定性。石墨烯和硅基合金也進行了大量的實驗來提高其性能。

鋰離子電池的化學物質、材料通過減少和控制離子的流動來限制樹突的形成。代價是電池密度和容量的損失，以及易燃風險的增加。如今，固態鋰金屬電池被認為是可充電電池的解決方案，但它比液態鋰離子電池更不穩定。

如何解決這個問題

哥倫比亞大學工程團隊與布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Lab)和紐約市立大學(City University of New York)進行的研究，為固態電池的樹突問題提供了一個解決方案。

根據研究顯示，一種5 ~ 10nm的氮化硼(BN)納米薄膜可以隔離鋰金屬和離子導體。絕緣的兩層可以防止樹突的生成和電池短路情況，但要足夠薄，以最大限度地提高電池的能量密度。這樣的話這個材料就可以作為一種屏障，防止金屬鋰侵入固態電解質，針對不穩定固體電解質的鋰金屬的屏障，

簡而言之，該團隊已經研發出了一個非常薄的屏障來阻止樹突的產生。反過來，這也比傳統鋰離子電池擁有更大的容量，也降低了火災風險，並延長了電池壽命。下一階段的研究將著重於更廣泛的不穩定固體電解質，並對其製備技術進行優化。

液態和固態電池技術

哥倫比亞大學的工程團隊並不是只在研究固態電池技術。對LiPON、LGPS和LLZO固態電解質也在進行研究，以取代目前的鋰離子電池。這是目前電池研究的主要目標，更高的電池容量、更長的使用壽命和更低的火災風險。下一個問題是將這些電池設計投入實踐，進入生產和產品中。

從消費者的角度來看，固態電池技術的主要優點是，充電速度可提高6倍，能量密度可提高2-10倍，循環壽命可延長至10年(相比之前的2年)，而且降低了易燃的風險。這對智能手機和消費電子設備以及用戶來說都是個好消息，大家都很期待。

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