根据最近发表在《自然能源》杂志上的一篇论文，一组工程师在快速充电锂金属电池的开发方面取得了重大进展。这些电池能够在短短一个小时内充电，这要归功于均匀的锂金属晶体的生长，这些晶体可以快速播种在令人惊讶的表面上。这项创新技术为储能的未来带来了巨大希望。

在Nature Energy 的一篇新论文中，工程师报告了快速充电锂金属电池的进展——最快一个小时。这种快速充电要归功于可以在令人惊讶的表面上快速均匀地播种和生长的锂金属晶体。诀窍是使用锂官方不“喜欢”的晶体生长表面。从这些晶种中生长出致密的均匀锂金属层。电池研究人员对均匀的锂金属层非常感兴趣，因为它们缺乏称为树突的会降低电池性能的尖峰。电池阳极中这些枝晶的形成是快速充电超高能量密度锂金属电池的长期障碍。

这种由加州大学圣地亚哥分校工程师领导的新方法可以在大约一个小时内为锂金属电池充电，这一速度可与当今的锂离子电池相媲美。加州大学圣地亚哥分校的工程师与加州大学欧文分校的成像研究人员合作，于今天（2023 年 2 月 9 日）在《自然能源》杂志上发表了这一旨在开发快速充电锂金属电池的进展。

在这张 SEM 图像中，大而均匀的锂金属晶体生长在一个令人惊讶的表面上，因为它“不像”锂。加州大学圣地亚哥分校的电池研究人员发现，锂金属晶体可以开始（成核）并快速均匀地生长成致密的锂金属层，这些层没有性能下降的枝晶。在 2023 年 2 月 9 日发表的 Nature Energy 论文中，加州大学圣地亚哥分校的电池研究人员表明，即使在高充电率下，锂晶种的这种意外形成也会导致致密的锂层，从而产生循环寿命长的锂金属电池也可以快速充电。这一发现克服了可充电锂金属电池中的一个常见现象，即高倍率充电总是导致多孔锂和短循环寿命。通过用这种由氟化锂和铁制成的疏锂表面取代锂金属电池负极（阳极）上无处不在的铜表面，研究人员开辟了一条创造更可靠、更安全、性能更高的锂金属的新途径电池。图片来源：Zhaohui Wu 和 Zeyu Hui / UC San Diego

为了生长锂金属晶体，研究人员用由氟化锂 (LiF) 和铁 (Fe) 制成的疏锂纳米复合材料表面取代了锂金属电池负极（阳极）上普遍存在的铜表面。使用这种疏锂表面进行锂沉积，形成锂晶体种子，并从这些种子生长出致密的锂层——即使在高充电率下也是如此。结果是可以快速充电的长循环寿命锂金属电池。

“特殊的纳米复合材料表面是发现，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授刘平说，他是这篇新论文的资深作者。“我们挑战了生长锂晶体需要什么样的表面的传统观念。普遍的看法是，锂在它喜欢的表面上生长得更好，即亲锂表面。在这项工作中，我们表明这并不总是正确的。我们使用的基板不喜欢锂。然而，它提供了丰富的成核位点以及快速的表面锂运动。这两个因素导致了这些美丽晶体的生长。这是用科学洞察力解决技术问题的一个很好的例子。”

锂金属单晶的冷冻透射电镜图像，该晶体被接种在由氟化锂和铁制成的令人惊讶的疏锂纳米复合材料表面上。锂晶体具有六方双锥体形状。在 2023 年 2 月 9 日发表的 Nature Energy 论文中，加州大学圣地亚哥分校和加州大学尔湾分校的研究人员表明，锂晶种的这种意外形成即使在高充电率下也会导致致密的锂层，从而导致循环寿命长的锂-也可以快速充电的金属电池。这一发现克服了可充电锂金属电池中的一个常见现象，即高倍率充电总是导致多孔锂和短循环寿命。通过用这种由氟化锂和铁制成的疏锂表面取代锂金属电池负极（阳极）上无处不在的铜表面，研究人员为制造更可靠、更安全、性能更高的锂金属电池开辟了一条新途径。图片来源：Chunyang Wang 和 Huolin Xin / UC Irvine

由加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师领导的这项新进展可以消除阻碍高能量锂金属电池在电动汽车 (EV) 和便携式电子产品等应用中广泛使用的重大障碍。虽然锂金属电池因其高电荷密度而在电动汽车和便携式电子产品中具有巨大潜力，但如今的锂金属电池必须以极慢的速度充电，以保持电池性能并避免安全问题。缓慢充电是必要的，以最大限度地减少破坏电池性能的锂枝晶的形成，锂枝晶在锂离子与电子结合形成电池阳极侧的锂晶体时形成。电池充电时会形成锂晶体，电池放电时会溶解锂晶体。