長效、快速充電的電池對擴大電動汽車市場至關重要，但今天的鋰離子電池還不能滿足需要，它們太重、太貴，而且充電時間太長。

幾十年來，研究人員一直試圖利用固態鋰金屬電池的潛力。與傳統的鋰離子電池相比，固態鋰金屬電池在相同體積下能儲存更多的能量，充電時間更短。

“鋰金屬電池被認為是電池化學的圣杯，因為它的高容量和能量密度，”哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)材料科學副教授XinLi說。“但這些電池的穩定性一直很差。”

現在，Li和他的團隊已經設計了一種穩定的鋰金屬固態電池，它可以在高電流密度下進行至少10000次充放電，比之前演示的循環次數要多很多。研究人員將這種新設計與一種商用的高能量密度陰極材料配對。

這種電池技術可以將電動汽車的壽命延長至汽油汽車的壽命——10到15年，而無需更換電池。由于其高電流密度，該電池可以為10到20分鐘內充滿電的電動汽車鋪平道路。

這項研究發表在《自然》雜志上。

他說:“我們的研究表明，固態電池可能與商用的液體電解質鋰離子電池有根本不同。”“通過研究它們的基本熱力學，我們可以釋放出卓越的性能，利用它們豐富的機會。”

鋰金屬電池的最大挑戰一直是化學。鋰電池在充電過程中將鋰離子從陰極轉移到陽極。當陽極由金屬鋰制成時，表面形成針狀結構，稱為樹枝狀。這些結構像根一樣生長在電解液中，刺穿分隔陽極和陰極的屏障，導致電池短路甚至起火。

為了克服這一挑戰，李和他的團隊設計了一種多層電池，在陽極和陰極之間夾著不同的穩定性材料。這種多層多材料電池不是通過完全阻止鋰枝晶的滲透，而是通過控制和遏制它們。

把電池想象成一個BLT三明治。首先是面包--鋰金屬陽極，然后是生菜--石墨涂層。接下來是一層西紅柿--第一種電解質，以及一層培根--第二種電解質。最后是另一層西紅柿和最后一塊面包--陰極。

第一種電解質（化學名稱為Li5.5PS4.5Cl1.5或LPSCI）的鋰含量更穩定，但容易出現樹枝狀的滲透。第二種電解質（化學名稱為Li10Ge1P2S12或LGPS）對鋰的穩定性較差，但似乎對樹突有免疫力。在這種設計中，樹枝狀物被允許通過石墨和第一種電解質生長，但當它們到達第二種電解質時被阻止。換句話說，樹突通過生菜和西紅柿生長，但在培根處停止。熏肉屏障阻止了樹突穿過并使電池短路。

"我們為了穩定電池而納入不穩定性的策略感覺是反直覺的，但就像錨可以引導和控制螺絲釘進入墻壁一樣，我們的多層設計也可以引導和控制樹突的生長，"該論文的共同作者、東南大學的研究生葉璐菡說。Li補充說："不同的是，我們的錨很快就變得太緊了，樹突無法鉆過，所以樹突的生長被停止了。

該電池也是自我修復的；它的化學成分允許它回填樹枝狀物產生的孔。

李說："這種概念驗證設計表明，鋰金屬固態電池可以與商用鋰離子電池競爭，而且我們的多層設計的靈活性和多功能性使它有可能與電池行業的大規模生產程序兼容，將其擴大到商業電池并不容易，仍有一些實際的挑戰，但我們相信它們將被克服。"