硅负极材料的崛起，从今日这篇Science开始！

第一作者：Darren H. S. Tan

通讯作者：Zheng Chen (陈政), Ying Shirley Meng (孟颖)

通讯单位：UCSD 加州大学圣地亚哥分校

【研究亮点】

通过使用硫化物固体电解质的界面钝化特性，使99.9 wt％的微米级硅颗粒负极稳定运行。组装的全固态电池在各种温度范围内都表现出良好的性能，并具有出色的循环寿命。

【主要内容】

比容量超过3500 mAh g^-1的硅负极已成为石墨基负极（比容量约为370 mAh g^-1）有前景的替代品，以增加锂离子电池的能量密度，可用于各种储能应用，例如电动汽车和便携式设备。然而，由于高反应性Li-Si合金和有机液体电解质之间的连续固体电解质中间相 (SEI) 生长，Si 负极的循环稳定性较差，从而阻碍了其商业化。这些问题因锂化过程中 Si 的大体积膨胀 (>300%) 以及由于 SEI 生长和不可逆地被封闭在其中的Li-Si合金造成的锂离子损失而加剧。

目前缓解Si基电池容量衰减的方法主要包括使用复杂的硅纳米结构以及结合碳复合材料和坚固的粘合剂基质等。虽然预锂化可以有效延长循环寿命，但理想的硅负极应该由不需要进一步处理的原始微硅 (μSi) 颗粒组成，从而达到低成本、环境空气稳定性和环境友好特性。为了实现这一潜力，应该解决以下两个关键挑战：

（1）稳定Li-Si合金|电解质界面以防止连续SEI生长和被封闭的Li-Si积累

（2）减少由体积膨胀引起的新界面的生长，从而减少锂离子消耗。

Si稳定性问题主要来自于Si与液体电解质的界面。在全固态电池 (ASSB) 中使用固态电解质 (SSE) 是一种很有前景的替代方法，因为它能够形成稳定且钝化的 SEI。目前大多数ASSB研究都集中在金属锂的使用上，以最大限度地提高电池能量密度。然而，金属锂负极的小临界电流密度通常要求在高温下运行，尤其是在电池充电期间。

鉴于此，来自加州大学圣地亚哥分校的Zheng Chen (陈政), Ying Shirley Meng (孟颖) 课题组提出了由99.9 wt% μSi作为负极用于μSi||SSE||NCM811电池，以克服μSi的界面稳定性挑战和ASSB的电流密度限制。与此同时，通过去除负极中的碳，显著减少了与固体电解质的界面接触（和不需要的副反应），避免了液体电解质通常发生的连续容量损失。在锂化过程中，在μSi和SSE之间会形成钝化SEI，随之界面附近的μSi颗粒会进行锂化。高反应性的Li-Si会与其附近的Si颗粒发生反应。这个反应会在整个电极中传播，从而形成致密的Li-Si层。实验发现这个过程在不需要任何过量的锂源情况下是高度可逆的。

研究人员进行了单独的全电池实验，实现了高达5 mA cm^-2的电流密度、-20° 到 80°C 之间的运行以及不同电池高达 11 mAh cm^-2 (2890 mAh g^-1) 的面积容量。μSi-NCM811全电池在 5 mA cm^-2 下500次循环后仍可提供 80% 的容量保持率，证明了利用ASSB实现的μSi的整体循环稳定性。本文提出的固态硅电池方法克服了传统电池中的许多限制，它为电池领域提供了令人兴奋的机遇，可满足市场对更高体积能量、更低成本和更安全电池的需求。

Fig. 1 | Schematic of 99.9 wt % μSi electrode in an ASSB full cell.

Fig. 2 | Carbon effects on SSE decomposition.

Fig. 3 | Quantifying effects of SEI growth.

Fig. 4 | Visualizing lithiation and delithiation of 99.9 wt % Si.

Fig. 5 | μSi||SSE||NCM811 performance.

【文献信息】

Darren H. S. Tan, Zheng Chen, Ying Shirley Meng, et al. Carbon-free high-loading silicon anodes enabled by sulfide solid electrolytes. Science 373, 1494–1499 (2021).

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg7217