純鋰陽極結構新設計，可開發安全不膨脹的固態電池

作者 Emma stein | 發布日期 2020 年 02 月 14 日

打造純鋰金屬陽極固態電池是科學家的夢想，它抹去鋰離子電池的爆炸風險、能量密度還大幅提高，然而最大障礙時固態電池在使用過程中會膨脹破裂。最近，麻省理工學院團隊新設計一種鋰金屬陽極結構，讓固態電池在整個充放電週期中保持化學穩定性。

我們常在汽車、手機等產業中聽到的鋰電池是鋰離子電池，多由一個石墨負極、一個採用鈷、錳或磷酸鐵的正極、以及用來運送鋰離子的電解液構成，優點是能量密度比其他種類的電池高、輸出功率大、無記憶效應，但缺點也很多，比如電解液具高揮發性（爆炸風險源頭）、怕熱等。

但在固態電池中，改以固體電解質取代液態電解質、電極由純鋰金屬構成，不只電池更安全、更不易著火，能量密度還能翻倍提升，大幅增加續航力，最大問題在於電池充滿電時，鋰金屬內部會積聚原子導致電池膨脹，放電時電池又收縮，反覆折騰就可能導致固態電解質破裂；此外，固體電解質隨著時間推移也會發生降解。

為了克服上述問題，多數研究都集中在設計對鋰金屬絕對穩定的固體電解質材料，事實證明：這道技術很困難，固態電池至今都還未能成功商業化。

麻省理工學院團隊採取了不同思維的設計：混合離子-電子導體（mixed ionic-electronic conductors，MIEC）與電子-鋰離子絕緣體（electron and Li-ion insulators，ELI），可以確保在與鋰金屬接觸後保持絕對穩定性。

研究人員設計出蜂窩狀三維奈米結構，結構中的管狀陣列由 MIEC 製成，然後注入鋰金屬形成一個電極，每根管內部都留有多餘空間，好讓電池在充電過程中膨脹時，電極依然能維持其固態晶體結構、避免撐開外壁；ELI 則做為 MIEC 與固體電解質層之間的關鍵黏合劑。

團隊目前已藉實驗證明，這種設計在經過 100 次充放電循環後，都不會導致固態電池膨脹破裂。如果在相同儲存容量下比較，則新電池的重量可能僅傳統鋰離子電池的四分之一，如果再結合良好的陰極設計，則配備在手機上每 3 天僅需充電一次。