【研究亮點(diǎn)】通過使用硫化物固體電解質(zhì)的界面鈍化特性，使99.9 wt％的微米級硅顆粒負(fù)極穩(wěn)定運(yùn)行。組裝的全固態(tài)電池在各種溫度范圍內(nèi)都表現(xiàn)出良好的性能，并具有出色的循環(huán)壽命。
【主要內(nèi)容】比容量超過3500 mAh g-1的硅負(fù)極已成為石墨基負(fù)極（比容量約為370 mAh g-1）有前景的替代品，以增加鋰離子電池的能量密度，可用于各種儲能應(yīng)用，例如電動(dòng)汽車和便攜式設(shè)備。然而，由于高反應(yīng)性Li-Si合金和有機(jī)液體電解質(zhì)之間的連續(xù)固體電解質(zhì)中間相 (SEI) 生長，Si 負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性較差，從而阻礙了其商業(yè)化。這些問題因鋰化過程中 Si 的大體積膨脹 (>300%) 以及由于 SEI 生長和不可逆地被封閉在其中的Li-Si合金造成的鋰離子損失而加劇。
目前緩解Si基電池容量衰減的方法主要包括使用復(fù)雜的硅納米結(jié)構(gòu)以及結(jié)合碳復(fù)合材料和堅(jiān)固的粘合劑基質(zhì)等。雖然預(yù)鋰化可以有效延長循環(huán)壽命，但理想的硅負(fù)極應(yīng)該由不需要進(jìn)一步處理的原始微硅 (μSi) 顆粒組成，從而達(dá)到低成本、環(huán)境空氣穩(wěn)定性和環(huán)境友好特性。為了實(shí)現(xiàn)這一潛力，應(yīng)該解決以下兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：（1）穩(wěn)定Li-Si合金|電解質(zhì)界面以防止連續(xù)SEI生長和被封閉的Li-Si積累（2）減少由體積膨脹引起的新界面的生長，從而減少鋰離子消耗。
Si穩(wěn)定性問題主要來自于Si與液體電解質(zhì)的界面。在全固態(tài)電池 (ASSB) 中使用固態(tài)電解質(zhì) (SSE) 是一種很有前景的替代方法，因?yàn)樗軌蛐纬煞€(wěn)定且鈍化的 SEI。目前大多數(shù)ASSB研究都集中在金屬鋰的使用上，以最大限度地提高電池能量密度。然而，金屬鋰負(fù)極的小臨界電流密度通常要求在高溫下運(yùn)行，尤其是在電池充電期間。
鑒于此，來自加州大學(xué)圣地亞哥分校的Zheng Chen (陳政), Ying Shirley Meng (孟穎) 課題組提出了由99.9 wt% μSi作為負(fù)極用于μSi||SSE||NCM811電池，以克服μSi的界面穩(wěn)定性挑戰(zhàn)和ASSB的電流密度限制。與此同時(shí)，通過去除負(fù)極中的碳，顯著減少了與固體電解質(zhì)的界面接觸（和不需要的副反應(yīng)），避免了液體電解質(zhì)通常發(fā)生的連續(xù)容量損失。在鋰化過程中，在μSi和SSE之間會形成鈍化SEI，隨之界面附近的μSi顆粒會進(jìn)行鋰化。高反應(yīng)性的Li-Si會與其附近的Si顆粒發(fā)生反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)會在整個(gè)電極中傳播，從而形成致密的Li-Si層。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這個(gè)過程在不需要任何過量的鋰源情況下是高度可逆的。
研究人員進(jìn)行了單獨(dú)的全電池實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)5 mA cm-2的電流密度、-20° 到 80°C 之間的運(yùn)行以及不同電池高達(dá) 11 mAh cm-2?(2890 mAh g-1) 的面積容量。μSi-NCM811全電池在 5 mA cm-2?下500次循環(huán)后仍可提供 80% 的容量保持率，證明了利用ASSB實(shí)現(xiàn)的μSi的整體循環(huán)穩(wěn)定性。本文提出的固態(tài)硅電池方法克服了傳統(tǒng)電池中的許多限制，它為電池領(lǐng)域提供了令人興奮的機(jī)遇，可滿足市場對更高體積能量、更低成本和更安全電池的需求。

【文獻(xiàn)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

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