孙林博士、金钟教授EnSM综述：面向实用化硅基负极锂离子电池的研究进展与展望

第一作者：孙林

通讯作者：孙林*，金钟*

单位：盐城工学院，南京大学

硅负极锂离子电池因其理论比容量高、工作电位低、来源丰富等优点而受到人们的广泛关注。过去的十多年人们见证了锂硅电池体系方面的重要进展，然而，目前大多数研究数据来自低负载量、过量电解液和金属锂的半电池。随着人们对硅负极锂离子电池的产业化应用越来越重视，一些在实验室容易被忽视的方面成为了硅负极应用的瓶颈。因此，针对这些问题，本文简要介绍了硅负极的发展历程，以及目前硅负极锂离子电池在结构调控、界面优化、新型粘结剂和电解质设计等方面面临的关键挑战和应对措施；重点针对硅基全电池（包括扣式全电池和软包电池）进行了讨论。最后，针对未来的研究方向提出了可行的策略，特别是强调要侧重对对全电池和全固态电池性能的研究。

【文章简介】

近日，来自盐城工学院孙林博士与南京大学金钟教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Recent Progress and Future Perspective on Practical Silicon Anode-Based Lithium Ion Batteries”的综述文章。该观点文章分析了面向实用化硅基负极存在的问题以及常用的解决措施，同时汇报了当前在硅基全电池和全固态电池上的研究进展。

图1. 广泛用来提升硅基负极锂离子电池性能的策略以及目前针对硅基全电池和全固态电池的研究。

【本文要点】

要点一：硅负极锂离子电池的发展历程及存在的问题

简要回顾了硅基负极锂离子电池的发展历程，尤其对具有重要意义的里程碑事件进行了重点评论；进一步指出了硅基负极锂电池在实验室及产业化上依然存在的问题。尽管近二十年来取得了很大的进展，但一些核心难题依然没有得到有效解决，特别是面向产业化应用这些问题将会被放大。

要点二：实验室研究阶段提出的解决方案

主要从结构调控、界面优化、新型粘结剂和电解液添加剂四个方面对目前实验室阶段解决硅基负极存在问题的方案进行了回顾，针对每一种方案的优点及局限性进行了评论。明确指出，硅负极锂离子电池的设计和应用是一项系统性的工作，需要在各个方面进行协同优化，才能设计出“更好”的电池。

要点三：面向实用型硅负极锂离子电池

对近年来硅负极纽扣全电池和软包全电池进行了调研，强调了全电池数据对硅负极锂电池实用化的重要指导作用。并且本文还概述了硅基全固态电池，以使作者对硅负极锂离子电池的发展趋势有一个全面的逻辑性思考。

要点四：前瞻

（1）为了解决Si阳极在充放电过程中体积膨胀的问题，一种折衷的解决方案是用SiO_x材料代替单质Si。与晶硅相比，SiO_x电极在插入锂的过程中体积膨胀大大降低，从而提高了循环性能。然而，由于在合金化反应过程中形成了钝化产物(Li₂O和Li₄SiO₄)，SiO_x电极的初始库仑效率值仅为约70%或更少。当然，需要注意的是，SiO_x电极的可逆容量为~1500 mA h g^-1，仍然大于石墨。因此，在目前的情况下，越来越多的研究转向具有更好循环稳定性的SiO_x。虽然SiO_x材料的体积膨胀比晶体Si小，但体积变化程度仍然比石墨高得多。因此，SiO_x负极的体积膨胀仍然应得到更多的关注。此外，对于SiOx负极，平衡容量、氧含量和初始库仑效率等指标显得尤为重要。 

（2）将Si材料与碳基体复合不仅能增强Si的导电性，而且为Si的体积膨胀提供了一定的支撑强度。然而，如何得到一个完美的Si/C纳米复合材料还没有得到深入的研究。在很多情况下，碳层包覆工艺中需要考虑的问题有很多，如碳层厚度不均匀、不能形成连续导电的网络等。甚至在某些情况下，Si和碳的连接仅仅是基于物理混合。因此，在原子尺度上实现均匀的碳包覆也是需要解决的重要问题。

（3）在实际应用中，电池的安全性、初始库仑效率和可逆库仑效率是需要强调的关键指标。目前，基于全电池的测试数据变得越来越重要，同时，使用固态电解质是解决安全问题的有效策略之一。此外，为了提高硅基负极的库伦效率值，设计和合成具有抗拉强度和柔韧性的新型粘结剂和电解质添加剂，以及深入了解纳米硅的电化学行为是非常重要的。尽管SEI膜的成分复杂，但Si负极的库仑效率高度依赖于电解质成分、杂质浓度、充放电条件等。同时，新型粘结剂可实现电极的高稳定性。 值得注意的是，随着高容量合金电活性材料的蓬勃发展，设计多功能（如机械坚固性、粘附能力优异和分散性良好）的聚合物粘合剂显得尤为重要。 

（4）单质纳米硅制备的高成本也阻碍了其实际应用，因此，开发简单、高效、可控的Si材料制备技术，降低其合成成本具有重要意义。

Lin Sun, Yanxiu Liu, Rong Shao, Jun Wu, Ruiyu Jiang, Zhong Jin, Recent Progress and Future Perspective on Practical Silicon Anode-Based Lithium Ion Batteries, Energy Storage Materials, 2022, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.01.042

通讯作者简介：

孙林博士 盐城工学院化学化工学院讲师，常州大学兼职硕士生导师。2017年博士毕业于南京大学化学系，2019-2021年在南京大学继续从事博士后研究。目前团队主要研究方向为无机功能材料的设计合成及在能量储存与转化中的应用。主持江苏省自然科学基金、江苏省产学研合作基金、江苏省博士后基金等项目、迄今已以第一/通讯作者发表SCI论文30余篇，被引1000余次。

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金钟教授 南京大学化学化工学院教授、博士生导师、南京大学新材料与能源技术研发中心主任。先后入选了国家海外高层次人才计划青年项目、国家自然科学基金优秀青年科学基金、科技部创新人才推进计划、国家高层次人才特殊支持计划科技创新领军人才。担任江苏省化学化工学会青年工作委员会主任委员、江苏省能源研究会储能专委会委员、江苏省汽车工程学会动力电池专委会委员、学术期刊《Frontiers in Chemistry》副主编、《Nano Research》、《Chinese Chemical Letters》、《Journal of Electrochemistry》和《SmartMat》青年编委。主要研究领域是清洁能源转换与存储材料的结构设计、物理化学机制研究和功能器件应用，在Nature Commun.、JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.等学术期刊发表SCI论文>180篇，他引>12000次，H因子55。本课题组正在招募副研究员、博士后和研究生，热诚欢迎有志于新能源和新材料研究的青年人才加盟！

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