9.1.1　锡晶须固态电池

经过多年的发展，我国也已发展成为全球三大锂离子电池和材料的制造和出口大国之一。锂电池及其材料被大规模应用于移动设备、能源汽车、医疗设备及储能设备中，小型锂离子电池在信息终端产品（移动电话、便携式电脑、数码摄像机）中的应用已占据绝对性主导地位。近10年来，锂离子电池技术发展迅速，其比能量由100 W·h/kg增加到180 W·h/kg，比功率达到2000 W/K，循环寿命达到100次以上。但锂电池能量密度已经接近其物理极限，而且含有液体电解质的锂电池因为设计限制而不允许快速充电。如果强行快充，它将导致金属晶须的形成，所嵌入的锂的含量超过了它所承受的范围，那么多余的锂离子就会和负极中穿梭而来的电子结合，在负极表面上开始沉积（Deposition）。而对于要形成锂枝晶，一个必要的条件就是，负极的表面是不平整的（Roughness），这样就会给锂枝晶的形成提供产所和便利。这时候的锂是沉积在隔膜和负极的接触部位，但是生长的方向是沿着从负极→隔膜的走向，因此反应发生的地点是在负极与电解液的界面上，最终可能会发生短路或爆炸。因此，急需新的材料和技术，进一步提高锂离子电池的性价比及其安全性，其中开发具有优良综合性能的正负极材料、工作温度更高的新型隔膜和加阻燃剂的电解液是提高离子电池安全性和降低成本的重要途径。最有可能突破的是：硅碳复合负极材料、钛酸锂、石墨烯、碳纳米管、富锂锰基正极材料、动力型镍钴锰酸锂材料、涂覆隔膜、高电压电解液、水性黏结剂等。

固态电池是一种使用固体电极和固体电解液的电池，能量密度较高。由于固态电池的功率质量比较高，所以它是电动汽车很理想的电池。2020年固态电池技术研发有望取得突破性进展，在成本、能量密度和生产过程等方面进一步赶超锂离子电池技术；2030年，锂离子电池将不再是电动汽车电池主流，但其在某些电子元件领域仍有一席之地。

锂电之父、得州大学奥斯汀分校机械工程和材料科学教授John Good enough和美国华盛顿州立大学的Grant Norton教授用可控制方式培育的锡晶须用作为电池阳极，不仅不会导致短路，而且可以容纳大量的锂离子，这种电极可以使锂离子电池的容量提高三倍，充放电超过1200次。为了构建具有锂金属阳极的安全，高效，可靠的电池，需要通过三种不同的方法来控制三种生长模式。

这种电池使用了非晶电解质取代了常规电池中所使用的液体电解质。与常规电池中的液体电解质相似，这种固态电解质也能很好地通导锂离子与钠离子。不仅如此，由于这种固体电解质其导带的能量要高于锂的费米能级，因而不会形成在常规电池中出现的固态-电解质界面膜，从而提升了电池的效率。另一方面，与碱金属阳极接触的固态电解质能够有效地避免阳极生成晶须结构，因而能够完全消除锂离子电池中的安全隐患（图9.1）。(https://www.daowen.com)

图9.1　高能全固态锂硫电池组装新方法（电池中国网，2019）

除了上述特点外，这项技术还有一个优点，电池可以用更加环保的材料制成，非晶电解质可以用低成本的钠来代替锂，而钠可以轻易地从海水中获取。以上技术提供了一种抑制枝晶生长的策略，并在开发下一代储能的同时继续提高现有电池的能量密度。