美国锂负极电池问世，充电3分钟循环10000次，或改变游戏规则？

今天看到美国哈佛大学李鑫教授的团队，开发了一款新的固态电池，直接用锂金属作为负极，可以在10分钟内完成充电，并且循环6000次后仍有80%以上的电量，远远超过目前主流的锂离子电池，优于市场上的其他软包电池。研究人员声称，这是朝着工业和商业应用固态电池迈出的重要一步，业界媒体认为这将是电动汽车真正的游戏规则改变者。哇，如此高的评价，这款电池真的有这么牛吗？

很多朋友可能都知道，用锂金属做负极是动力电池的圣杯和终极梦想，因为它的容量是现有石墨负极的10倍，这意味着在电池重量相同的情况下，可以将电动汽车续航里程直接增加10倍，有了这样的电池，谁还会去买燃油车呢？地球变暖祸害生命的难题也就迎刃而解了。

但锂金属负极也是科研人员的可怕梦魇，因为锂金属极为活跃，扔到水里都可能燃烧爆炸，要想驯服它，让它心甘情愿地做电池负极，简直就是比登天还难，而且它在充放电过程中会产生锂枝晶，并且会“自我膨胀”导致遍体鳞伤，用不了几次就没命了，谁又敢去买用这种电池的电动汽车呢？一个人再傻也不会傻到跟自己的钱和命过不去吧。

哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院李鑫教授、Luhan Ye博士领导的团队，经过多年的研究，可能已经解决了这个登天难题，开发出了利用锂金属负极制造固态电池的新方法。这项研究发表在1月8日的《自然-材料》杂志上，并已授权给他们早些年成立的阿登能源公司（Adden Energy），目前已生产出智能手机所用大小的固态电池，预计三到五年就可以扩展到电动汽车所用的全尺寸固态电池。

朋友们可能都知道，锂金属的理论比容量是3860mAh/g，石墨是372mAh/g，所以锂金属负极的容量是石墨的10倍。目前市场锂离子电池中，石墨负极约占70%，容量也接近了理论值，瓶颈效应已经非常明显了。虽然电动汽车现在热火朝天，但就是有很多人不买账，无非就是三大焦虑，充电慢、续航短、怕燃爆。而现有锂离子电池可以说已经到了天花板，很难解决这些问题，所以市场迫切需要一种新的电池突破来打消人们的顾虑，点燃购买电动汽车的热情。

总体来说目前主要有两种负极材料解决方案。

一种是硅负极，理论比容量最高达4200mAh/g，也是石墨的10倍以上，但它充放电过程中的结构膨胀也是非常厉害，所以无法直接作为负极材料使用，很多研究通过掺杂、复合、硅氧化、纳米化等方式进行改性，从而制造出优于现今锂离子电池的硅负极电池，像特斯拉的4680就已经量产，能量密度达到了300Wh/kg。松下去年底也宣布要使用纳米硅粉生产充电10分钟，续航800公里的锂离子电池，但具体什么时候开始生产还是一个未知数。

另一种就是锂金属负极了，不仅具有3860mAh/g的比容量，还有所有材料中最低的电极电位-3.04V，而且锂的密度也极小，比水还低，只有0.53g/cm^3，因而被认为是最具潜力的负极材料。然而锂金属负极有三大致命问题，限制了它的发展空间。

一是锂枝晶，在不断的充放电过程中，锂负极表面极易形成锂枝晶，长到一定程度甚至可能刺穿隔膜，导致电池短路等安全隐患。

二是“死锂”，由于在放电过程中，锂枝晶根部电流密度更大，容易发生断裂，导致枝晶转化为不可利用的“死锂”，加速电池的性能衰减和寿命缩短。

三是金属锂异常活泼，化学稳定性不好，容易和氧气水分等发生反应，加大了生产过程中的难度。

哈佛大学的创新，把金属锂和硅结合起来做负极，通过在微米级的硅颗粒表面镀上一层均匀的锂金属层，让锂离子在充电过程中从正极移动到负极时，锂化反应被限制在浅表面，电流密度均匀地分布在上面，从而可以阻止锂枝晶的形成。根据科学家们的说法，锂金属包裹在硅颗粒表面，就像巧克力裹在榛子表面形成壳一样。由于充放电时，脱锂和嵌锂是在平坦的硅颗粒表面发生，这个过程可以很快，所以充电速度也很快，大约只需10分钟即可。

在2022年发表的更早的研究中，哈佛大学团队甚至认为，这种固态电池充电时间只需要3分钟，寿命可以达到10000次以上，并表现出高能量密度和稳定性，没有尺寸上的限制，因此可以在三到五年内转化为成熟的商业化电动汽车电池，很可能会改变行业规则。

不仅如此，科学家们还研究了硅限制锂扩散形成均匀厚镀锂层特性的过程，解释了这种过程的可能潜在机制，并找到了数十种具有类似性能的无机材料，为开发新的电池技术提供了更多的可能性。

不过我没有看到这种固态电池的能量密度等关键数据，所以可能还处于最初的研发阶段，未来会如何发展还是一个未知数。而且全球多家知名企业都已开发出了固态电池，还有数据比这更好的，像是丰田、松下、中国的广汽集团等，都宣布将在2025年到2027年开始量产固态电池，还有美国的QuantumScape，更是推出了无负极的锂金属固态电池，15分钟可充到80%的电量，行驶50万公里后仍保持95%的容量，并且能量密度和续航提高了将近一倍，最早有可能在今年就开始量产。

所以固态电池可能确实是未来的方向，但究竟是锂负极、硅负极还是其他负极，固态电解质是聚合物、氧化物还是硫化物，目前都还处于群雄乱战的时代，杀到最后可能才能见真章。但一个奇怪的现象是，这场厮杀的战场，似乎并不在现在占据锂离子电池绝对垄断地位的中国，却让人有些百思不得其解，难道中国的电池巨头们都安于现状，不思进取？但我看到说几家都在研发固态电池，而且各种技术路线齐头并进，所以或许可能只是低调的沉默？

但中国企业确实很务实是明摆的，在革命性的、改变游戏规则的电池还没有出来之前，已有企业开发升级版，或者说是过渡版的锂电池，先吃一嘴。比如有车企推出了半固态电池，能量密度显著提升，并且装车运行后，真实续航里程达到了1000公里以上。宁德时代据说也马上要推出神秘的凝聚态电池，具体数据是什么目前还不知道。

所以哈佛大学的这项研究，我感觉才刚刚溅起浪花，究竟能不能发展为巨浪，可能还有很长的路要走，那么到2030年代固态电池取代锂离子电池后，谁会成为现在的宁德时代呢？欢迎朋友们留言讨论。