可重复使用1万次的固态电池，能改变电池行业的游戏规则吗？

哈佛大学的工程师们开发出了一种新型固态电池，可重复使用高达1万次，充电速度最快三分钟。

凭借这项突破性技术，Xin Li的初创公司 Adden Energy公司获得了哈佛大学技术开发办公室的独家资助，这将有助于开发可靠性更高、性能更好的电池，可用于未来的电动汽车。

Xin Li 在接受哈佛大学采访时表示，“固态电池是汽车电动化的必然选择。在实验室中，这款电池在生命周期内实现了5000~10000 次的充电循环，而同类产品最多也只有2000~3000 次。而且，我们认为在扩大电池技术的规模方面不会有任何限制。这可能会改变电池行业的游戏规则。” 此外，这种固态电池还显示出比锂离子电池更可预测的高能量密度和稳定性。

哈佛大学材料科学副教授Xin Li，他近年来的主要研究方向就是锂离子电池，尤其是锂电池电解质的研究。

这种新型电池的创新点就在于采用了多层结构的固态电解质，这种多层的固态电解质外层有一种特殊成分，可以使接触到它的锂枝晶分解，从而避免锂离子电池常见的锂枝晶刺穿电解质问题，从而延长了使用寿命（充放电循环次数）。

说到这里大家可能有点懵，没事，咱从原电池原理讲起

最经典的原电池也叫伏打电池（Voltaic cell），是1799年由伏达发明的。当时他以含食盐水的湿抹布，夹在银和锌的圆形版中间，堆积成圆柱状，制造出最早的电池。

在这个装置中，食盐水是电解质，不活泼的银作为正极，活泼金属锌作为负极，所以也叫银锌电池。锌丢失电子氧化变成锌离子，溶入电解质，而丢失的自由电子通过导线来到银电极，为氧化剂提供电子。这样氧化还原反应就使电极两端产生了电压，可以为一些用电器供电。

这个反应还可以反过来，为银锌电池充电，则是锌电极富集了大量的自由电子，这些电子将锌离子还原为锌单质，锌电极的体积逐渐增大，电解质中的锌重新返回锌电极，为下次放电继续能量。

经典的银锌电池充放电过程化学反应

但是这种银锌电池有两个很大的问题——贵、重。银、锌都不便宜，而且比重很大，这就决定了银锌电池的能量密度不可能很大，所以多用于纽扣电池，给一些耗电量很低的电器供电（比如石英电子表之类）。

但是耗电量很大的使用场景肯定要用更便宜、能量密度（单位电池重量所携带的能量）更大的产品。其中成本低的代表就是铅酸电池（正极为氧化铅，负极为铅板），用于便宜的电动自行车、汽车电瓶（主要用于给火花塞供电）等使用场景。而能量密度更大的则是锂离子电池——用锂单质这种极为轻便的金属作为负极。

从伏打电堆到锂离子电池虽然已经过去了接近两百年，但这种经典的充放电原理其实没有改变。从伏打电堆到锂电池的充电都存在一个很严峻的问题——枝晶穿透。

枝晶穿透（Dendrite penetration）——可充电电池逃不过的问题

前面在提到银锌电池充电的时候，锌离子重新在锌电极沉积为锌单质不可能老老实实、平平整整如同刚出厂一般平滑光洁，而是如同结霜或雪花变大那样形成枝晶（树枝状的晶体）：

这会让负极板变得“毛茸茸”的，无论是银锌电池、铅酸电池，还是锂电池，都会有这个问题，不过是锌枝晶/铅枝晶/锂枝晶的差别罢了。

巴铁老哥在拆除旧铅酸电瓶里的电极板，可见铅电极板已经黑乎乎毛茸茸了

而可充电电池为了降低电阻、增加能量密度，其正负极一般都挨得很近，这个金属“毛毛”那可是导体啊，直接正负极相连了，不仅这一块正负极废了，还会增加工作时的发热，导致电池报废、甚至是起火燃烧（锂单质非常活泼，更燃）。

锌枝晶的形成

锂电池“火冒三丈”

新型电池的创新点

回到新闻所述的电池，他的创新就在于避免锂枝晶生长过程刺穿电解质接触到正极。

左侧是传统的锂电池结构，采用普通电解质。这个电解质无法阻挡锂枝晶的穿刺，所以导致了正负极短路和着火。而右侧则是Xin Li去年发表的一种新型多层固态电解质（中间的棕色隔离带），枝晶虽然可以刺穿绿色部分，但到了隔离带就会分解，就避免了枝晶穿刺。

因为枝晶过不去，所以充电的还原过程快一些也不会有太大问题，不用担心枝晶生长速度过快或者充电电压过高导致电解质击穿的问题。这项研究去年发表在Nature上（2021年5月12日）。当时是10-20分钟充满电。

今年新闻提到的电池基本原理没改变，还是用的多层固态电解质，Xin Li将其称为“三明治结构”——锂电极/石墨/电解质1/电解质2/电解质1/正极。但今年进步到3分钟左右的充电时间，确实很惊艳。不过相关论文尚未发表，看不到更多的技术细节。

不过，真正有用的技术进步和科学发现并不屑于发表论文，哈佛大学技术开发办公室已向Adden Energy, Inc.授予独家技术许可，后者则融资 515 万美元作为种子轮。后续则是产品转化，而不是发论文、拿课题、评院士了。

多层固态电解质确实增加了循环次数，但能量密度、峰值功率、充电呢？

这个创新如果未来量产产品的品控和成本都很优秀，无疑是对锂电池技术的一种颠覆——无论是对现有使用场景还是配套基础设施，都是颠覆。

使用场景

锂电池的最大、发展最快的应用场景应该是电动汽车了。目前限制电动汽车推广的主要问题还是能量密度、充电速度、充电基础设施、电池寿命、电池安全性和废旧电池残值的一系列问题。

如果真的出现高安全性、寿命长、充电速度快的锂电池，就算能量密度、峰值功率稍微低一些，也仍然对市场有巨大的诱惑。对于电动汽车的推广和碳减排无疑是非常有利的。充电3分钟续航几乎拉满将有可能成为现实——充能使用体验无限接近于燃油车。

但问题反而出在充电上——这么巨大的充电功率，怎么落地？

假设我们预估这个电池能量产，能量密度咱们往保守了估计，大概车载电池会在80kWh-100kWh这个区间。3分钟充满，咱们按5分钟算吧，就是1/12小时，好家伙充电功率要飙到960kW-1200kW。

这啥概念啊，家里用的1.5匹壁挂式空调功率一般是1.0-1.3kW；特斯拉目前最多的充电桩一般是120kW（已经有液冷超级充电桩最高可达600kW，但普及率太低），这可是8-10倍的差距啊，现在一大堆公共充电桩也就是60kW左右，但是覆盖面积已经很大了，这些旧设备升级恐怕不太容易。而且假如今后真的实现了1000kW高功率的充电技术，那充电站对城市电网的冲击也太大了。

电池技术进步带来的红利如何落地？这对充电基础设施的挑战也太大了。或许今后充电桩采用大型储能单元（电池），收集太阳能、风能等绿色能源，并且在用电低谷期容纳市电，用于高峰期电动汽车充电。