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新型固态锂电池面世，兼具快充能力，有望用于手机和汽车等

研究人员发现，尽管全固态锂金属电池有望实现较高的能量密度、以及快速充电能力，但是高压氧化物正极与固体电解质（SSE，solid state electrolyte）之间的界面不稳定性，以及锂金属负极与固体电解质界面处的锂枝晶生长，制约了这一目标的实现。

在近期一项工作中，美国马里兰大学王春生团队从这两个关键的制约因素出发，通过合理的界面设计方案，打造了具备较高能量密度的全固态锂金属电池，并成功实现了快速充电的能力。

电池的高能量密度和快充能力，是当前电子产品和电动汽车等的设备普遍需求，因此该成果有可能用于手机、电动汽车、电脑等领域。

该课题组前期的研究[1]发现临界相间过电位是衡量固体电解质界面（SEI，solid–electrolyte interphase）抑制锂枝晶生长能力的关键因素。

为了实现界面较高的锂枝晶抑制能力，就得让锂枝晶生长的驱动力，低于固体电解质界面本征的锂枝晶抑制能力。

因此，要实现高容量以及大倍率下的充放电，对于 Li/ 固体电解质界面来说，必须为其设计一个界面，以便可以同时提高锂枝晶抑制能力，以及降低锂枝晶生长的驱动力。

在高容量以及大倍率下，电池充放电的稳定性也与正极有关。对于液态锂离子电池来说，已经有大量研究证明元素 F 能在很大程度上保持 NMC811 正极的稳定性。

后来，他们选择四氟硼酸锂作为 NMC811 表面的包覆层。通过将一部分 F 从 NMC811 表面电化学迁移到 NMC811 体相，让 NMC811/Li6PS5Cl 界面、以及 NMC811 体相实现了较好的稳定性。

而要想通过界面层来降低锂枝晶生长的驱动力，就得实现 Li/ 固体电解质之间各个界面的紧密接触。以人工方式加入界面层时，会存在接触不均匀的问题。而在电化学反应过程中，原位生成的界面则能实现各个界面之间的紧密接触。

通过筛选各种金属材料，他们发现镁能同时与 Li6PS5Cl 和锂反应，而生成的 LiMgSx 以及 LiMg，可以起到粘结剂的作用，从而实现 Li6PS5Cl/ 锂化铋以及锂/锂化铋界面之间的紧密接触。

另外，通过提高金属锂与界面层的接触，可以进一步降低界面阻抗，从而进一步降低锂枝晶生长的驱动力。要想实现这一目标，通过设计多孔界面层即可实现。

而在多孔界面层中，要想进一步降低锂沉积的过电位，并使锂沉积在锂和多孔界面层之间，就要求多孔界面层具有较高的离子/电子电导率比。通过筛选各个材料，他们发现锂化铋的确能够满足这些条件。

同时，他们发现镁在锂沉积过程中会向锂负极侧迁移，这样一来就能原位得到锂化铋多孔界面层。于是，课题组使用 Mg16Bi84 作为锂/固体电解质之间的界面层。

虽然实验结果显示镁可以原位迁移，同时 Mg16Bi84 界面层具有较高的抑制锂枝晶的能力。但是，他们仍然不清楚镁迁移的内在原因。

后来，课题组通过大量表征、实验和计算，确定了相关机理。即镁的迁移主要依赖于以下几个原因：

其一，镁能和 Li+ 能形成（LiMgx）+；

其二，镁能和锂形成固溶体；

其三，在锂化铋之中，（LiMgx）+ 的迁移能垒较低，而 Mg16Bi84 界面层具有较高的抑制锂枝晶的能力。

凭借这几方面优势，让 Mg16Bi84 界面层能够有效地防止锂枝晶的生长，并能在大容量和大倍率之下，实现锂金属高度可逆的沉积和脱出。

总的来说，本次工作通过采用价格低廉的 Mg16Bi84 界面层，既让全固态锂金属电池拥有了较高的能量密度，也让其实现了快充能力。

图 | 相关论文（来源：Nature）

日前，相关论文以《全固态锂电池界面设计》（Interface design for all-solid-state lithium batteries）为题发在 Nature[2]，马里兰大学万红利博士是第一作者，王春生教授担任通讯作者。

图 | 万红利（来源：万红利）

基于这款电池的设计原理，他们正在研究新的界面层，以便进一步地降低成本。另据悉，万红利目前在该课题组从事博士后研究，未来即将回国进行后续科研工作。

参考资料：

1.Nature Energy, 2023, 8，473-481

2.Wan, H., Wang, Z., Zhang, W.et al. Interface design for all-solid-state lithium batteries. Nature 623, 739–744 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06653-w

运营/排版：何晨龙

高能环保改变手机行业的技术之锂电池

在80、90年代，人们的通讯基本靠信件、电报、电话三种方式，其中，电话又是以座机为主，如果谁家安装了座机立马就会成为左领右舍羡慕的对象。不过，随着科学技术不断发展，座机渐渐被手机所替代，而当时最让人们印象深刻的就是“大哥大”，因为该机是移动通信的先锋者，更是那个时代身份的象征。时至今日，那种“大哥大”手机早已成为古董，智能手机不但拥有众多先进技术，而且其便携、轻薄、易用等特性成为当下主流产品。

在日常生活中，智能手机可帮助我们实现多种用途，例如休闲娱乐、实时导航、工作学习等，给我们的生活带来不少便利。但是，世间没有完美的事物，智能手机给人们带来诸多好处的同时，自身最大缺陷就是电池，大多数智能手机电池的使用时间最长也就两天，如果中度使用或者玩游戏基本不到一天就得充电，有的甚至一天两充，虽然当下的手机电池这么不给力，但它对手机来说却至关重要，因为没电池的手机和“尸体”无两样，而电池作为手机的源动力，它也有着自身的经历。

手机电池一般分为镍电池和锂电池，其中，镍电池容量低，有记忆效应，并存在自放电现象，且制造材料还有环境污染的问题，所以在手机行业没有延续下来。虽然“锂电池”的诞生弥补了镍电池的不足，并且其高能、环保的特性，使它成为时下手机行业唯一的源动力，但人们对手机上“锂电池”的理解还存在一定误区，因为从严格意义上来讲，锂电池不可充电，既然不可充电，那手机上用的是什么？或者说是什么样的锂电池？下面小编就为大家一一解答。

首先，我们来看看什么是锂电池，其实，从严格意义上讲锂电池就是锂原电池，内含纯态的锂金属，为一次性使用、不可充电的电池。由于其自身的高技术要求限制，现在只有少数的几个国家的公司在生产这种锂金属电池。

在锂电池出现之前，原电池可以说是它的鼻祖，那原电池又是如何诞生的呢？这要追溯到18世纪末期，当时意大利生物学家伽伐尼正在进行著名的青蛙实验，当用金属手术刀接触蛙腿时，发现蛙腿会抽搐，多次实验后伽伐尼认为这可能是“动物电”。

而伽伐尼的朋友伏打看到这一现象，经过多次实验，发现只要有两种不同金属互相接触，中间隔以湿的硬纸、皮革或其他海绵状的东西，不管有没有蛙腿，都有电流产生，从而否定了“动物电”的观点。因为伏打认识到蛙腿收缩只是放电过程的一种表现，两种不同金属的接触才是电流现象的真正原因。于是，伏打列出了锌－铅－锡－铁－铜－银－金的次序，这就是著名的伏打序列。1800年，伏打据此原理设计出了被称为伏打电堆的装置，锌为负极，银为正极，用盐水作电解质溶液。

以上的小故事只是原电池的发明史，之后被人们经常使用的原电池有锌－锰干电池、锌－汞电池、锌－银扣式电池及锂电池等。其中，锂电池源于伟大的发明家爱迪生，它是由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池，不过，由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属在加工、保存、使用方面，对环境要求非常高，所以在那个年代锂电池长期没有得到应用。时至今日，随着科学技术发展，锂电池已成主流。

既然锂电池在当下已成主流，那其有哪些优点和缺点呢？我们先来看看它的优点：1、能量比较高2、使用寿命长；3、额定电压高；4、自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，不到镍氢电池的1/20；5、高低温适应性强，能在-20℃--60℃的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45℃环境下使用；6、绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质；7、生产基本不消耗水，对缺水的国家来说正合适。缺点方面：1、锂电池的安全性差，有爆炸的危险；2、生产要求条件高，成本也随之上涨；3、使用条件有限制，高低温使用危险大。

如今，手机中常见的电池就是锂离子电池，但锂离子电池的电解质是流动的，受到外力摔打或者使用不符合标准的充电器，都有可能引起爆炸。其实，只要我们从正规渠道购买手机，使用得当是可以避免这类事情发生的。

既然手机采用锂离子电池，那它和上文介绍的锂电池区别在哪呢？这要从锂电池的早期研发说起，由于锂电池自放电率极低，放电电压平缓，其最早应用在心脏起搏器中，从而使植入人体的起搏器能够长期运作。

而在1992年索尼成功开发出商用锂离子电池。该电池可重复充电的特性，使其迅速成为移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备的源动力。同时也让这些电子设备的重量和体积大大减小，使用时间相应延长，并且锂离子电池中不含有重金属镉，与镍镉电池相比，大大减少了对环境的污染。要说两者最大的区别，可以理解为锂电池只能使用一次，而锂离子电池可以重复使用。当然，锂离子电池也可以看做是锂电池的衍生产品。

此外，之前的手机行业还用镍电池做过一段时间源动力，然而，就像本文前言说的那样，由于镍电池对环境有污染，并且有记忆效应以及自放电现象，所以锂离子电池诞生后，以自身众多优点成为厂商青睐的对象，而镍电池则被打入“冷宫”，这也是为什么当下手机市场中都用锂离子电池的原因。

说到这，不知你是否走出对手机电池认知的误区，首先，锂离子电池只是锂电池中的一种，也可以看成是锂电池的改良版，而锂电池是原电池的分支，并且只能使用一次还不可充电，所以从严格意义上讲，锂离子电池才可称之为手机电池。

而锂离子电池又和镍电池有何不同呢？这点从上文的介绍中就可看出端倪，由于镍电池有记忆效应，所以需要用户先把新机的剩余电量用光，在反复充电几次后，从而发挥最大效能，这对现在的年轻人来说操作起来非常繁琐。

然而，现在还有不少人沿用了镍电池时代的充电习惯，这对使用锂离子电池的手机来说，会大幅降低电池寿命，因为锂离子电池无记忆性，用户在使用过程中，可随用随充，只要不过放或者过冲，减少充电周期，延长手机电池的寿命不是问题。

这里小编为大家解释一下何谓充电周期？其实，一个充电周期就是指电池电量由满用到空，再又空充到满的过程，不过，这不等于充了一次电，例如，当电池电量第一天用到一半时，又为它充满电，第二天亦是如此，两次下来只能算一个周期，而不是两个。所以有些人非要用完电再充满的做法显然不可取，而一些高品质的电池经过数个充电周期后，依然会保留原始容量的80%。

当下的锂离子电池只不过是为提升手机续航的技术应用，相信在不久的将来会有更为先进的技术来代替锂离子电池，也许是液体或气体，但从整个行业走向来看，为电池超快速充电，似乎成为更容易实现的技术。

此外，在过去的时间里，也有不少厂商为手机续航拿出解决方案，像LG的太阳能充电、燃料供电等技术，它们的工作原理顾名思义，太阳能供电就是利用光能实现充电，而燃料供电则是通过正常燃料中提取出的氢气与氧气发生反应，把化学能转化成电能，同时排放出没有污染的水。同样重量的燃料电池提供的电量可达锂离子电池的10倍。

既然原先有锂离子电池外的解决方案，那为何到现在也没解决手机的续航问题？这是因为太阳能转换效率低，并且未具备市场竞争条件，而燃料电池最直接的原因就是造价高，所以从目前来看锂离子电池依旧无法替代。