摘要：随着电动交通及储能市场对高比能安全电池的迫切需求，硫化物全固态电池(SSB)以其高体积/质量能量密度与模块集成优势成为下一代电池热点。然而：

【研究背景】

随着电动交通及储能市场对高比能安全电池的迫切需求，硫化物全固态电池(SSB)以其高体积/质量能量密度与模块集成优势成为下一代电池热点。然而：

·锂金属负极虽容量高却易在硫化物电解质中穿刺生长枝晶，引发短路与安全风险。

·硅(Si)负极理论容量高达3579 mAh g-1，但在传统液态体系中体积膨胀导致粉化与不稳定 SEI。

·厚实的压片式硫化物电解质、电极内过多无活性添加剂使文献已报道硅-SSB的能量密度普遍

因此，如何在保持循环稳定的同时突破 400 Wh kg-1的材料级能量密度，并阐明限制因素，是当前亟待解决的问题。

【工作简介】

近日，美国能源部橡树岭国家实验室杨光（Dr. Guang Yang）课题组， 联合斯坦福大学，佐治亚理工学院，首次提出“99.9 wt % 微米硅负极/薄片型 LPSCl/高载量 LiNbO3 涂层 NMC811”单层全固态电池构型，通过干-湿复合工艺分别优化负极、电解质与正极，成功实现：

·材料级比能量：381 Wh kg-1（25 °C），>400 Wh kg-1（50 °C）；

·循环寿命：2 mAh cm-2 下 1000 圈容量保持 80%，3 mAh cm-2 下 500 圈保持 94%；

·倍率性能：在 2 mA cm-2 仍稳定运行；

·机理洞察：负极侧形成稳定二维 SEI，正极侧 CEI 持续演变主导衰减。

·过量锂-硅匹配原则：为与正极的高容量相匹配，必须将锂过量嵌入硅骨架（超过 Li3.75+Si 相）并进一步形成冗余锂金属在LiSi 骨架内）。

该文章发表在国际顶级期刊 Advanced Materials 上。Chanho Kim 博士为第一作者，李元顺博士为共同第一作者。

【内容表述】

3.1 基础性知识介绍

·硅负极 vs. 锂负极：采用微米级 Si 可避免枝晶，成本更低，且浆料呈剪切变稀特性，易于均匀涂布。

·薄片型 Li6PS5Cl 电解质：通过 Polyisobutylene (PIB) -toluene 湿法制备与多道冷压，厚度≈90 µm，室温离子电导 2.3 mS cm-1，显著降低内阻。

·正极选择： 10 mAh cm-2等级高载量 NMC811（LiNbO3涂覆保护）以干法 PTFE 纤维滚压成膜，兼顾导电网络与致密度。

·N/P 设计： 1.1，初始假定确保硅充分锂化同时控制过锂化风险。随后我们发现即便负极容量过量，仍有冗余锂沉积在锂化硅骨架内。

3.2 研究展开与表征目的

3.3 最终核心结论

1. 首次在硅-硫化物 SSB 体系验证 >400 Wh kg-1能量密度。

2. 微米 Si/薄 LPSCl 设计 + 干-湿工艺耦合是实现高比能-长寿命的关键。

3. 失效主因在于NMC-CEI：LNO 涂层于 4.3 V 下发生 Nb-Cl 富集与 P2S5沉积，致电荷转移阻抗攀升。

4. 未来需要：①稳定 NMC 晶格氧；②开发更耐高压的表面涂层；③优化兼容硫化物的阴极电解质。

图1. 采用干湿复合策略制备固态电池各部件：湿浆涂布法制备了薄硅负极层，以减小厚度和重量。使用50微米的自支撑硫化物固态电解质膜。在LNO@NMC811负载为10 mAh/cm2时，仅PTFE干法制备有效。各层组装构建完整固态电池系统。

图2. 电池采用13 mg/cm2的LNO@NMC811负载制备，在不同电流密度下测试性能。于1 mA/cm2电流密度下运行稳定，无明显问题。循环1000次后，容量保持率约为80%。

图3. 电池采用实际负载量进行测试，NMC负载为45 mg/cm2，初始循环实现9 mAh/cm2，500圈后容量保持率达94%。按正负极与电解质总质量计算，能量密度为381 Wh/kg。负载进一步提高至50 mg/cm2，在50°C下测试，输出8 mAh/cm2，材料层面能量密度约400 Wh/kg。

图4. 通过优化电极负载、减薄电解质、降低非活性组分质量，并强化正负极界面稳定性，实现高比能电池设计。目前研究聚焦于电极界面反应机制，推进涂层、结构工程等策略，提升全电池层面能量密度与循环性能。

图5. 多循环过程中测量阻抗，并通过三原位电极DRT分别分析正负极的阻抗贡献。结果显示界面阻抗主要来源于正极侧，CEI在性能衰减中作用大于SEI。为提升性能，还需增强硅负极的电子传输能力。

图6. 锂在Si中可达Li15Si4以上锂饱和过量锂金属， 实质形成锂金属-锂化硅复合负极。循环1000次后， 负极形成稳定二维SEI，其中检测到Li2S、Li3PS4等产物；NMC表面充电后晶格氧消失。LPSCl分解生成NbOCl3。拉曼与XPS揭示二维SEI与三维CEI空间分布，揭示界面演变与化学组成。

图7. 正极颗粒出现裂纹，氧气释放导致晶界氧化物积聚，Nb元素局部富集，伴随过渡金属迁移。通过掺杂NMC稳定晶格氧和金属，表面包覆抑制电解质分解，并开发兼容NMC与固态电解质的新型阴极电解质体系。

【文献详情】

Kim C.; Li Y.; Jang I.; et al. “Pushing the Limits: Maximizing EnergyDensity in Silicon Sulfide Solid-State Batteries”, Advanced Materials, 2025, 2502300. DOI:10.1002/adma.202502300.

来源：白云聊科学