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快消息！電子科大高材生突破固態(tài)電池極限：3分鐘充滿 獲投資3000萬

哈佛大學華人教授搞了個新型固態(tài)電池，成果已發(fā)表在Nature雜志上——充放電循環(huán)高達1萬次，最快3分鐘充滿電。相較而言，目前最好的固態(tài)電池循環(huán)次數為2000~3000次。主要原因在于，他們設計出一種“三明治”電池結構，哪怕在20mA/cm2這樣的超高電流密度下，也不會出現鋰枝晶穿透現象。

(資料圖片)

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就在最近，這位教授成立的初創(chuàng)公司，被哈佛授予了獨家許可，目前已融資515萬美元（約3570萬元人民幣）。

實驗室的最新成果，正在大步邁向商業(yè)化落地……

支持1萬次充放電循環(huán)？

研究成果，發(fā)表在Nature雜志上。

這種新型固態(tài)電池，在20C充電倍率（8.6mA/cm2）下充放電循環(huán)1萬次后，電池容量剩余82%。

在1.5C充電倍率（0.64mA/cm2）下充放電循環(huán)2000次以后，電池容量剩余81.3%。

同時可以在微米級正極材料中實現110.6kW/kg的功率密度和631.1Wh/kg的能量密度。

最新報道稱，這種固態(tài)電池最快3分鐘可充滿電。當時這篇論文給出的結果是，10~20分鐘內完成充電。

之所以能大幅提升電池的循環(huán)性能，主要歸功于電池結構創(chuàng)新——他們設計了一種類似三明治的對稱結構。

從左到右依次是：

鋰金屬陽極→石墨→LPSCI→LGPS→LPSCI→石墨→NMC811陰極

意思就是，鋰金屬作為固態(tài)電池的陽極，單晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）則作為陰極。

石墨介于鋰金屬陽極和第一層固態(tài)電解質之間，主要用于隔熱。

值得一提的是，如果沒有石墨或金屬銦這樣的保護層，電壓一升高，電池（鋰金屬為陽極，LGPS為電解質）就容易短時間內失效。

如圖所示，三層固態(tài)電解質厚度相當。

夾在兩邊的第一層固態(tài)電解質為Li5.5PS4.5Cl1.5（LPSCI），特點在于對鋰金屬表現較為穩(wěn)定，但容易發(fā)生鋰枝晶穿透。它的存在能夠穩(wěn)定鋰金屬和石墨層的主要界面，并降低整體過電位。

夾在中間的第二層電解質為Li10Ge1P2S12（LGPS），對鋰不那么穩(wěn)定，但不易發(fā)生鋰枝晶穿透。

中間這層電解質也可換成Li9.54Si1.74(P0.9Sb0.1)1.44S11.7Cl0.3 (LSPS)，也能獲得類似的性能表現。

這樣的安排好處是，鋰枝晶可以穿過石墨和第一層電解質，但到達第二層電解質時被“攔截”下來，真正解決了鋰金屬電池的一大難題和痛點——

電池反復多次充放電，陶瓷顆粒中會頻繁產生微米或亞微米級裂紋。裂紋一旦形成，鋰枝晶穿透及短路現象就難以避免。

“三明治”中間的這層固態(tài)電解質，恰好讓鋰枝晶無法刺穿整個電池，從而避免了電池正負極發(fā)生短路甚至起火。

除了提高安全性，這種設計還讓電池在0.25mA/cm2電流密度、室溫的情況下，循環(huán)使用1800小時，性能表現遠超單一固態(tài)電解質的電池。

“三明治”固態(tài)電池，行業(yè)內啥水平？

首先要理解什么是固態(tài)電池。

固態(tài)電池，就是指采用固態(tài)電解質的鋰離子電池。

工作原理上，固態(tài)鋰電池和傳統(tǒng)的鋰電池并無區(qū)別。

兩者最主要的區(qū)別在于固態(tài)電池電解質為固態(tài)，相當于鋰離子遷移的場所轉到了固態(tài)的電解質中。

一般按照正負極材料的不同，固態(tài)電池還可以分為固態(tài)鋰離子電池、固態(tài)鋰金屬電池（以金屬鋰為負極）。

產業(yè)鏈方面，固態(tài)電池產業(yè)鏈與液態(tài)鋰電池大致相似，兩者主要的區(qū)別在于中上游的負極材料和電解質不同，在正極方面幾乎一致。

固態(tài)電池核心優(yōu)勢首先是高能量密度。理論上其單體能量密度最高能達到900Wh/kg，有望徹底解決里程焦慮問題。

其實目前的動力電池已經能達到1000公里續(xù)航，比如寧德時代就有相關產品。

但這是在電池包結構、制造工藝上投入大量成本換取的有限進展，這條路線的上限不高。

而固態(tài)電池的1000公里續(xù)航，其實是一件很容易的事，也就允許企業(yè)把更多成本投入安全、能源效率等等方面。

其次是高安全性，許多無機固體電解質材料不可燃，聚合物固體電解質存在一定可燃風險，但相較于電解液安全性也大幅提高。

基于這兩點，固態(tài)電池也被認為是未來動力電池最有希望的發(fā)展方向之一。

目前的階段，固態(tài)電池仍然處在研發(fā)試制，國內外都有重要玩家跟進。

據前瞻產業(yè)研究院梳理，目前全球范圍內約有50多家制造企業(yè)、初創(chuàng)公司和高校科研院所推進固態(tài)電池技術。

歐美車企對固態(tài)電池初創(chuàng)企業(yè)關注度較高，車企通過收購、投資在固態(tài)電池領域中的初創(chuàng)企業(yè)如Solid Power、SolidEnergy Systems、Ionic Materials等以獲得技術儲備。

日韓方面，日本車企在固態(tài)電池上的研發(fā)起點相對較早，最早入局的豐田在2008年就與固態(tài)電池創(chuàng)企伊利卡（Ilika）展開了合作，三菱、日產、松下等大部分企業(yè)也紛紛加速布局固態(tài)電池行業(yè)，爭取早日實現量產。

國內方面，國內企業(yè)不及西方起步早，但越來越多的企業(yè)已經參與其中，參與主體包括贛鋒鋰業(yè)、寧德時代等電池企業(yè)；更有其他領域企業(yè)看好固體電池跨界投資，如以汽車零部件為主的萬向集團、新能源汽車比亞迪等。

不過，固態(tài)電池的產業(yè)化，依然存在不小的挑戰(zhàn)。

首先是需要重塑電池行業(yè)供應鏈。

其次，固態(tài)電池采用的預鋰化硅碳負極或遠景金屬鋰負極、高鎳正極、固態(tài)電解質等新科技材料生產成本遠高于目前對應的材料，降本之路極其艱巨漫長。

第三點，是固態(tài)電池本身的快充效率不佳。一般固態(tài)電解質導電率僅為電解液十分之一，的確影響實際應用。

所以“三明治”固態(tài)電池，其實就是在充電這個問題上取得了重大進展。

最快3分鐘內充滿，并且能循環(huán)充放1萬次，超越了目前絕大部分量產在用的普通鋰離子電池。

研究團隊介紹

論文第一作者是葉露涵。

本科畢業(yè)于電子科技大學能源科學與工程學院，學的是新能源材料與器件專業(yè)。

2017年本科畢業(yè)后拿到哈佛大學全額獎學金直博，進入李鑫教授課題組研究鋰金屬電池。

來自成都電子科技大學官微，最左邊是葉露涵

李鑫教授在他申請哈佛大學的推薦信里，這樣評價道：

葉露涵在本科期間接受了良好的學術訓練，有超越一般本科生的創(chuàng)造性和對于科研的熱情。他表現出的科研水平讓我相信他具有成為哈佛或MIT博士生的潛質。事實上，在我見過的本科生當中他的科研表現是出類拔萃的。

他在本科期間，履歷表現為：

被評選為2016年度成電杰出學生、四川省優(yōu)秀畢業(yè)生。連續(xù)兩年排名專業(yè)第一，三年綜合素質排名專業(yè)第一，兩次獲得國家獎學金、唐立新獎學金、人民一等獎學金。

一共發(fā)表10篇SCI文章，其中以第一作者發(fā)表5篇SCI論文，包括但不限于Advanced Energy Materials （影響因子15.23）、Journal of Power Sources（影響因子6.33）等國際期刊。

來自成都電子科技大學官微

參與國家自然科學基金1項、省自然基金1項，主持校級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)科研基金1項；擔任電子科技大學能源學院先進能源材料實驗室研究助理，協(xié)助導師建立和管理實驗室。

還曾與鋰離子電池發(fā)明人、德州大學奧斯汀分校教授J. Goodenough合作，在燃料電池領域發(fā)表氣體擴散相關的文章。

與劍橋大學教授K. Zhang、布朗大學教授布魯克海文國家實驗室助理主任J. Dickersion合作，共同開發(fā)電化學沉積方法在能源存儲與轉化領域的技術。

與哈佛大學李鑫教授課題組合作開展了功能化鋰離子電池、固態(tài)電解質相關課題研究。

此外，他還申請了一項中國專利、一項美國專利，并且多項成果受到國家能源新材料技術研發(fā)中心、公司等資助總計超60萬。

論文的通訊作者是李鑫，在哈佛大學約翰·A·鮑爾森工程與應用科學學院擔任材料科學副教授。

在這之前，他2003年本科畢業(yè)于南京大學物理學專業(yè)，2010年博士畢業(yè)于美國賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程專業(yè)。

他目前在哈佛帶的課題研究組，主要專注于通過合成、測試、表征和仿真等方式來設計下一代儲能材料。

同時結合電化學、顯微鏡、光譜學、第一性原理計算和人工智能，以此來獲得與材料性能相關性最強的研究發(fā)現，用這些來指導新型儲能材料的設計，其中就包括鋰離子電池或鈉離子電池的下一代正負極材料和固態(tài)電解質。

與此同時，李鑫教授與他指導的眾多學生，于去年一同成立了一家電池初創(chuàng)公司，名叫Adden Energy。葉露涵就在該公司擔任首席技術官。

今年年初，該公司宣布完成515萬美元（折合人民幣約為3609萬元）的種子輪融資，由春華資本（Primavera Capital Group）領投，Rhapsody Partners和MassVentures跟投。

最近，這家初創(chuàng)公司被哈佛大學技術開發(fā)辦公室授予了獨家技術許可。

技術許可證+最新融資，意味著他們已經初步具備了商業(yè)化的條件，能夠將實驗室的成果落地為產品。

李鑫教授表示非常看好固態(tài)電池，“如果你想大力推廣電動車，固態(tài)電池是必經之路”。

之所以這么有信心，他給出的原因是：

我們的技術遠超其他固態(tài)電池。

我們的電池充放電循環(huán)可以達到5,000~10,000次，而現在即便是同類產品中最好的也只能做到2,000~3,000次。

量產方面，我們沒看到有什么限制性因素。一旦它進入市場，可能會改變游戲規(guī)則。

關鍵詞： 電子科大高材生突破固態(tài)電池極限3分鐘充滿