硅阳极固态电池实现技术突破：将比传统电池更安全

锂离子电池硅阳极的发展在很大程度上受到了界面稳定性差的阻碍。在这里，研究人员利用硫化物固体电解质的界面钝化特性，实现了99.9%重量%的微硅阳极的稳定运行。体积和表面表征以及界面组分的量化表明，这种方法消除了连续的界面生长和不可逆的锂损失。组装了微硅全电池，发现不同电池具有高面积电流密度、宽工作温度范围和高面积负载。这种有希望的性能可以归因于微硅和硫化物电解质之间理想的界面性质以及锂硅合金独特的化学机械行为。

然而，由于LIB中使用的高反应性Li-Si合金和有机液体电解质之间的连续固体电解质界面（SEI）生长导致硅阳极的循环和保存期差，阻碍了硅阳极的商业化。锂化过程中Si的大体积膨胀（>300%）以及由于SEI生长和封闭中的不可逆陷阱Li-Si合金导致的Li+库存损失加剧了。这些缺陷目前缓解容量衰减的努力包括使用复杂的硅纳米结构与碳复合材料和坚固的粘合剂基质相结合，以减轻粉碎。

虽然预锂化可以有效延长循环寿命，但理想的硅阳极应该是由不需要进一步处理的原始微硅（mSi）颗粒组成，享受低成本、高稳定性和环境友好的关系。要实现这一潜力，应解决两个关键挑战：

（i）稳定市场Li-Si电解质界面，防止连续SEI生长和被困Li-Si积累，以及

（ii）减缓新接口的增长由体积膨胀引起，导致Si稳定性问题主要源于与液体电解质的界面。使用全固态电池（ASSB）中的固态电解质（SS）是一种很有前途的替代品，因为它能够形成一个稳定的钝化SEI。

为了证明消除阳极中碳的重要性，以及Si-SSE界面的钝化性质，作者对SSE分解产生的SEI产物进行了表征和量化，无论是否存在碳添加剂。由于大多数文献报告采用含20-40 wt%碳添加剂（5,8-20）的硅复合材料，因此用作与无碳的Si负极进行比较的基础。虽然锂金属通常用作液体电解质研究中的对电极，但其在ASSB中的低临界电流密度使其不适合研究我们的系统。同样，锂铟合金的有限动力学也使其不适用。

通过将液态电解质换成固态电解质，研究人员避免了一系列相关的挑战，同时通过消除负极中的碳，研究小组显著减少了与固体电解质的界面接触和不必要的副反应，避免了液基电解质容易出现的连续电容损失问题。此外，常见固态电池使用的锂负极对于电池的充电率也有限制，而且在充电时需要升高温度。硅负极则能克服这些限制，允许电池在室温到低温下有更快的充电速率，同时保持高能量密度，可谓是一举多得。

最后，该团队展示了一个实验室规模的全电池，在室温下可进行500次充放电循环，容量保持率为80%，这对硅负极和固态电池界来说都是令人兴奋的进展。

Carbontech2021碳基储能高峰论坛

2021年12月13-15日在上海举行的“Carbontech第六届碳基储能论坛” 特意设置了硅基负极的圆桌对话，圆桌对话的主题《硅基负极的商业化策略》主题报告。

1、纳米硅、微米硅、氧化亚硅的优缺点适用终端领域和挑战？

2、企业纷纷布局，市场需求大，如何实现低成本大批量稳定生产？

3、在“双碳”和“限电”政策下，硅基负极发展的困难有哪些？

4、硅碳负极的商业化瓶颈，循环稳定性差，如何解决？

5、针对硅氧碳负极首次效率低的问题，目前预锂化或预镁化（材料端和极片工艺端）取得的进展、困难点及对应的改善方法？是否还有更安全、成本更低、更易加工的方案？

6、硅基负极的应用之路，动力电池？储能电池？及在终端产品（如两轮电动车、汽车、3C产品）的市场规模？

7、硅基负极电池体系：比如粘结剂、导电剂、电解液等的匹配选择？

8、目前的快充问题，硅属于半导体，如何有效提升硅基负极的快充性能？

9、高容量硅基负极的应用规划？硅基负极能否成功应用于半固态电池，目前的难点有哪些？

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