可重復使用1萬次的固態電池，能改變電池行業的游戲規則嗎？

哈佛大學的工程師們開發出了一種新型固態電池，可重復使用高達1萬次，充電速度最快三分鐘。

憑借這項突破性技術，Xin Li的初創公司 Adden Energy公司獲得了哈佛大學技術開發辦公室的獨家資助，這將有助于開發可靠性更高、性能更好的電池，可用于未來的電動汽車。

Xin Li 在接受哈佛大學采訪時表示，“固態電池是汽車電動化的必然選擇。在實驗室中，這款電池在生命周期內實現了5000~10000 次的充電循環，而同類產品最多也只有2000~3000 次。而且，我們認為在擴大電池技術的規模方面不會有任何限制。這可能會改變電池行業的游戲規則。” 此外，這種固態電池還顯示出比鋰離子電池更可預測的高能量密度和穩定性。

哈佛大學材料科學副教授Xin Li，他近年來的主要研究方向就是鋰離子電池，尤其是鋰電池電解質的研究。

這種新型電池的創新點就在于采用了多層結構的固態電解質，這種多層的固態電解質外層有一種特殊成分，可以使接觸到它的鋰枝晶分解，從而避免鋰離子電池常見的鋰枝晶刺穿電解質問題，從而延長了使用壽命（充放電循環次數）。

說到這里大家可能有點懵，沒事，咱從原電池原理講起

最經典的原電池也叫伏打電池（Voltaic cell），是1799年由伏達發明的。當時他以含食鹽水的濕抹布，夾在銀和鋅的圓形版中間，堆積成圓柱狀，制造出最早的電池。

在這個裝置中，食鹽水是電解質，不活潑的銀作為正極，活潑金屬鋅作為負極，所以也叫銀鋅電池。鋅丟失電子氧化變成鋅離子，溶入電解質，而丟失的自由電子通過導線來到銀電極，為氧化劑提供電子。這樣氧化還原反應就使電極兩端產生了電壓，可以為一些用電器供電。

這個反應還可以反過來，為銀鋅電池充電，則是鋅電極富集了大量的自由電子，這些電子將鋅離子還原為鋅單質，鋅電極的體積逐漸增大，電解質中的鋅重新返回鋅電極，為下次放電繼續能量。

但是這種銀鋅電池有兩個很大的問題——貴、重。銀、鋅都不便宜，而且比重很大，這就決定了銀鋅電池的能量密度不可能很大，所以多用于紐扣電池，給一些耗電量很低的電器供電（比如石英電子表之類）。

但是耗電量很大的使用場景肯定要用更便宜、能量密度（單位電池重量所攜帶的能量）更大的產品。其中成本低的代表就是鉛酸電池（正極為氧化鉛，負極為鉛板），用于便宜的電動自行車、汽車電瓶（主要用于給火花塞供電）等使用場景。而能量密度更大的則是鋰離子電池——用鋰單質這種極為輕便的金屬作為負極。

從伏打電堆到鋰離子電池雖然已經過去了接近兩百年，但這種經典的充放電原理其實沒有改變。從伏打電堆到鋰電池的充電都存在一個很嚴峻的問題——枝晶穿透。

枝晶穿透（Dendrite penetration）——可充電電池逃不過的問題

前面在提到銀鋅電池充電的時候，鋅離子重新在鋅電極沉積為鋅單質不可能老老實實、平平整整如同剛出廠一般平滑光潔，而是如同結霜或雪花變大那樣形成枝晶（樹枝狀的晶體）：

這會讓負極板變得“毛茸茸”的，無論是銀鋅電池、鉛酸電池，還是鋰電池，都會有這個問題，不過是鋅枝晶/鉛枝晶/鋰枝晶的差別罷了。

而可充電電池為了降低電阻、增加能量密度，其正負極一般都挨得很近，這個金屬“毛毛”那可是導體啊，直接正負極相連了，不僅這一塊正負極廢了，還會增加工作時的發熱，導致電池報廢、甚至是起火燃燒（鋰單質非�；顫姡迹�。

新型電池的創新點

回到新聞所述的電池，他的創新就在于避免鋰枝晶生長過程刺穿電解質接觸到正極。

左側是傳統的鋰電池結構，采用普通電解質。這個電解質無法阻擋鋰枝晶的穿刺，所以導致了正負極短路和著火。而右側則是Xin Li去年發表的一種新型多層固態電解質（中間的棕色隔離帶），枝晶雖然可以刺穿綠色部分，但到了隔離帶就會分解，就避免了枝晶穿刺。

因為枝晶過不去，所以充電的還原過程快一些也不會有太大問題，不用擔心枝晶生長速度過快或者充電電壓過高導致電解質擊穿的問題。這項研究去年發表在Nature上（2021年5月12日）。當時是10-20分鐘充滿電。

今年新聞提到的電池基本原理沒改變，還是用的多層固態電解質，Xin Li將其稱為“三明治結構”——鋰電極/石墨/電解質1/電解質2/電解質1/正極。但今年進步到3分鐘左右的充電時間，確實很驚艷。不過相關論文尚未發表，看不到更多的技術細節。

不過，真正有用的技術進步和科學發現并不屑于發表論文，哈佛大學技術開發辦公室已向Adden Energy, Inc.授予獨家技術許可，后者則融資 515 萬美元作為種子輪。后續則是產品轉化，而不是發論文、拿課題、評院士了。

多層固態電解質確實增加了循環次數，但能量密度、峰值功率、充電呢？

這個創新如果未來量產產品的品控和成本都很優秀，無疑是對鋰電池技術的一種顛覆——無論是對現有使用場景還是配套基礎設施，都是顛覆。

使用場景

鋰電池的最大、發展最快的應用場景應該是電動汽車了。目前限制電動汽車推廣的主要問題還是能量密度、充電速度、充電基礎設施、電池壽命、電池安全性和廢舊電池殘值的一系列問題。

如果真的出現高安全性、壽命長、充電速度快的鋰電池，就算能量密度、峰值功率稍微低一些，也仍然對市場有巨大的誘惑。對于電動汽車的推廣和碳減排無疑是非常有利的。充電3分鐘續航幾乎拉滿將有可能成為現實——充能使用體驗無限接近于燃油車。

但問題反而出在充電上——這么巨大的充電功率，怎么落地？

假設我們預估這個電池能量產，能量密度咱們往保守了估計，大概車載電池會在80kWh-100kWh這個區間。3分鐘充滿，咱們按5分鐘算吧，就是1/12小時，好家伙充電功率要飆到960kW-1200kW。

這啥概念啊，家里用的1.5匹壁掛式空調功率一般是1.0-1.3kW；特斯拉目前最多的充電樁一般是120kW（已經有液冷超級充電樁最高可達600kW，但普及率太低），這可是8-10倍的差距啊，現在一大堆公共充電樁也就是60kW左右，但是覆蓋面積已經很大了，這些舊設備升級恐怕不太容易。而且假如今后真的實現了1000kW高功率的充電技術，那充電站對城市電網的沖擊也太大了。

電池技術進步帶來的紅利如何落地？這對充電基礎設施的挑戰也太大了�；蛟S今后充電樁采用大型儲能單元（電池），收集太陽能、風能等綠色能源，并且在用電低谷期容納市電，用于高峰期電動汽車充電。