硅基全固态电池！厦门大学陈松岩/王鸣生

摘要：硅因其高的比容量(3590 mAh g-1)而成为固态电池(SSBs)中最有前途的负极材料之一。硅在0.4 V(vs Li+/Li)的锂化电位下不仅可以防止锂沉积和锂枝晶生长，而且比其他合金负极具有更高的能量密度。但由于需要高外部压力，其应用面临重大挑战。

硅因其高的比容量(3590 mAh g-1)而成为固态电池(SSBs)中最有前途的负极材料之一。硅在0.4 V(vs Li+/Li)的锂化电位下不仅可以防止锂沉积和锂枝晶生长，而且比其他合金负极具有更高的能量密度。但由于需要高外部压力，其应用面临重大挑战。

在此，厦门大学陈松岩、王鸣生，南京林业大学韩响等人开发了一种Li₂₁Si₅/Si-Li₂₁Si₅双层负极并将其用于无需外部压力即可运行的全固态电池。在冷压烧结Li₂₁Si₅合金的过程中，负极形成了具有离子/电子混合传导的顶层（Li₂₁Si₅层）和包含三维连续导电网络的底层（Si-Li₂₁Si₅层）。由此在负极|SSE界面产生的均匀电场消除了对高外部压力的需求，同时使负极界面的锂离子通量提高了两倍。这种高效的离子/电子传输系统助于均匀释放Si颗粒在循环过程中的膨胀应力，并稳定负极的体相和界面结构。

基于此，Li₂₁Si₅/Si-Li₂₁Si₅负极在45℃下表现出10 mA cm⁻²的临界电流密度，容量为10 mAh cm⁻²。Li₂₁Si₅/Si-Li₂₁Si₅|Li₆PS₅Cl|Li₃InCl₆|LCO电池在0.25 mA cm⁻²下，初始库仑效率高达（97±0.7）%，面容量为2.8 mAh cm⁻²，并且在2.5 mA cm⁻²下循环1000次后，膨胀率仅为14.5%。

图1. ASSBs的Li₂₁Si₅/Si-Li₂₁Si₅负极的离子/电子传输特性表征

总之，该研究开发了一种无需外部压力即可运行的ASSBs的Li₂₁Si₅/Si-Li₂₁Si₅双层负极。Li₂₁Si₅粉末在600MPa下冷压烧结，有助于构建结构稳定的Li₂₁Si₅/Si-Li₂₁Si₅负极，该负极具有离子/电子混合导电层（Li₂₁Si₅层）以及三维连续导电网络（Si-Li₂₁Si₅层中的Li₂₁Si₅网络）。Li₂₁Si₅层使负极表面电场均匀化，有助于锂离子均匀且快速地传输至Si-Li₂₁Si₅表面，并避免锂枝晶穿透进入SSE。充分的电接触会加速Li₂₁Si₅与Si颗粒之间的自放电行为，避免Si颗粒在循环过程中出现应力集中，从而稳定负极结构。

结果显示，ASSBs在0.25 mA cm⁻²、45℃条件下实现（97±0.7）%的ICE。此外，电池在首次放电容量为2.8 mAh cm⁻²时实现稳定循环，且膨胀率低至14.5%。Li₂₁Si₅/Si-Li₂₁Si₅-ASSBs在不同倍率下也表现出优异性能。因此，该工作为全固态硅基负极的应用提供了新思路。