在上一篇文章里我们介绍了位于美国俄亥俄州丹顿市的Global Graphene Group环球石墨烯集团，简称G³，由台湾籍的华人教授张博增创立。公司从研发生产石墨烯起家，近几年开始转向研发生产硅负极材料，同时张博增也开始着眼于固态金属锂电池的研发，并且已在这方面申请了38个相关专利。这篇文章，我们就带你梳理一下G³公司在研发固态金属锂电池方面的一些创新。

尽管我们之前已在一篇文章里介绍过固态锂金属电池的技术挑战，《技术起底QuantumScape的锂金属固态电池热潮》，这里我们还是再简要说明一下目前的固态金属锂电池面临的几大难题：

1.    锂金属会与液体电解质反应，从而造成电池容量迅速降低；

2.    充电时锂金属往负极导电箔上沉积，由于电流分散不均匀，会造成局部沉积过快，从而形成锋利的锂枝晶，如下图所示。锂枝晶会刺破高分子隔膜，造成电池短路，从而失效。

3.    同样因为局部沉积过快，一些凸起的锂金属末端会与大金属块分离，从而变成孤立的锂颗粒，失去与负极导电箔的连接，失去导电性，变成无用的游离金属颗粒，慢慢降低电池容量。

4.    负极的锂金属块不断地生成和消解，引起负极空间的变形，金属块慢慢会失去与导电金属箔的紧密连接，导电性逐渐变弱，从而造成能效越来越低。

针对上述问题，G³公司在他们的固态锂金属电池专利中提出了以下一些解决方案：

1.    在负极金属导电箔上添加石墨烯保护层，用以限制晶枝的产生与生长；

2.    石墨烯保护层因为具有良好的延展性，同样也能起到紧密连接锂金属与固态电解质的功能；

3.    使用具有良好弹性的导电高分子保护层，防止锂金属与液态电解质接触。

我们从具体的技术角度来分析一下G³公司的这些创新解决方案。首先是石墨烯保护层。石墨烯因为其特殊的薄层结构，很容易形成下图这种类似于“纸牌屋”的多孔结构。这些空隙为金属锂的沉积提供了预设的空间，而石墨烯较强的支架强度能确保负极材料在组装时不被压坏。这个多孔结构有效地解决了金属锂电池在充放电循环中的空间变化问题，可以防止负极不同材料层之间的分离和断路。

同时，由于石墨烯具有非常优异的导电性能，可以避免在其表面生长的锂金属产生局部电流过大，从而避免锂晶枝的产生与扩大。如果能成功避免锂晶枝的产生，则可以继续使用传统的高分子隔膜，不仅大大节省成本，也能提高电池的性能。

G³公司的第二个创新方向是使用具有高弹性的导电高分子保护层。这个高分子层会被设置在锂金属与隔膜之间，其主要目的是利用其高弹性来弥补充放电时的空间变化。这个创新已被很多公司用于硅负极的设计，所以它能帮助提高锂金属电池的循环寿命，也就不令人意外了。

第三个创新方向是往石墨烯多孔结构里添加过渡金属颗粒，因为一些过渡金属能降低锂金属在石墨烯表面沉积的化学能，起到类似于催化剂的作用。这样就能降低锂金属往已有金属块上沉积的概率，提高锂金属往尚未覆盖的石墨烯表面沉积的概率。简而言之，就是能有效避免局部集中沉积，让锂金属的沉积层变得更加光滑，从而降低锂晶枝的产生。

第四个创新方向是在石墨烯表面人工合成电解质-固体界面膜，从而保护锂金属不与液体电解质发生接触。这个措施也已被广泛应用于硅负极材料中，因此不再赘述。

最后一项创新方向是往石墨烯多孔结构里加入已与锂金属结合的硅锂合金。这个方法听起来似乎更偏向于是对于硅负极材料的解决方案，而跟固态锂金属电池的相关性不大，毕竟在负极，锂是以硅锂合金的形式存在，而不再是单纯的锂金属。

总而言之，在G³公司提出的这些创新方向里，前三个还是与固态锂金属电池紧密相关的，而且从理论基础的角度来看也具有很好的合理性。而在技术实现的层面，这些方向都具有很大的挑战性，如何能更好更快地实现这些措施，将是接下来的几年里固态锂金属电池领域努力奋斗的目标。

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参考文献：

1.    GlobalGraphene Group公司官网www.theglobalgraphenegroup.com

2.    OnDemand Webinar- The Path Forward for Solid-State EV Batteries, https://www.theglobalgraphenegroup.com/ondemand-webinar-the-path-forward-for-solid-state-ev-batteries/

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作者简介：

谢伟博士，清华大学材料学学士和硕士，美国德克萨斯大学（奥斯汀）化学工程博士。主要从事储能电池开发工作，先后在跨国企业及初创公司任要职，主持多项美国能源部资助研发项目，获得2013年全美年度100最佳研发技术大奖。在材料学及储能领域顶级期刊发表论文17篇，担任5家国际期刊审稿工作，拥有国际发明专利申请17项。

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