硅（Si）的比容量超過(guò)3500 mAh g-1，已成為石墨陽(yáng)極（比容量約為370 mAh g-1）的有前途的替代品，來(lái)增加鋰離子電池（LIB）的能量密度，將其用于電動(dòng)汽車(chē)和便攜式設(shè)備等各種儲(chǔ)能應(yīng)用。除了是地殼中第二豐富的元素外，硅還對(duì)環(huán)境友好，并表現(xiàn)出接近石墨的電化學(xué)勢(shì)（0.3 V vs Li/Li+）。然而，由于高活性鋰硅合金和液態(tài)電解質(zhì)之間SEI的連續(xù)生長(zhǎng)，硅陽(yáng)極的循環(huán)和保質(zhì)期差阻礙了硅陽(yáng)極的商業(yè)化。這些缺陷因鋰化過(guò)程中Si的體積大幅膨脹（>300%）以及SEI增長(zhǎng)導(dǎo)致的Li+庫(kù)存損失和密封在內(nèi)的鋰硅合金不可逆轉(zhuǎn)地被困而加劇。
目前，緩解容量衰減的努力包括使用復(fù)雜的硅納米結(jié)構(gòu)，結(jié)合碳復(fù)合材料和堅(jiān)固的粘結(jié)劑基質(zhì)，以減輕粉化。還探索了液態(tài)電解質(zhì)改性，包括使用環(huán)醚、氟化添加劑或其他穩(wěn)定SEI的離子液體添加劑。少數(shù)報(bào)告使用各種預(yù)鋰化策略來(lái)補(bǔ)償鋰庫(kù)存損失。雖然預(yù)鋰化可以有效地延長(zhǎng)循環(huán)壽命，但理想的硅陽(yáng)極應(yīng)該由不需要進(jìn)一步處理的原始微硅（μSi）顆粒組成，從低成本、環(huán)境空氣穩(wěn)定性和環(huán)境良性的好處中受益。為了實(shí)現(xiàn)這一潛力，應(yīng)該解決兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：（i）穩(wěn)定Li-Si|電解質(zhì)界面，防止SEI的持續(xù)增長(zhǎng)和被困的Li-Si積累；（ii）緩解體積膨脹導(dǎo)致Li+消耗的新界面的增長(zhǎng)。2021年9月24日，加州大學(xué)圣地亞哥分校孟穎（Ying Shirley Meng）教授和陳政教授在Science發(fā)表重磅成果，Carbon-free high-loading silicon anodesenabled by sulfide solid electrolytes，利用硫化物固體電解質(zhì)（SSE）實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的無(wú)碳高負(fù)載硅陽(yáng)極。在本工作中，μSi||SSE|NCM811電池中使用了由99.9 wt % μSi組成的μSi電極，以克服μSi的界面穩(wěn)定性挑戰(zhàn)和全固態(tài)電池（ASSBs）當(dāng)前的密度限制。與傳統(tǒng)的液體電解液電池結(jié)構(gòu)不同，SSE不會(huì)滲透到多孔μSi電極（圖1），SSE和μSi電極之間的界面接觸區(qū)域減少到二維（2D）平面。在μSi鋰化后，盡管體積膨脹，2D平面仍被保留，從而防止了新界面的生成。塊體μSi表現(xiàn)出約3×10-5 S cm-1的電子導(dǎo)電性，與最常見(jiàn)的陰極材料（~10-6至10-4 S cm-1）相當(dāng)，因此不需要額外的碳添加劑。此外，眾所周知，碳損害了硫化物SSE的穩(wěn)定性，因?yàn)樗龠M(jìn)了SSE分解。雖然某些類(lèi)型的碳被發(fā)現(xiàn)與無(wú)陽(yáng)極ASSB兼容，但最好在μSi ASSB系統(tǒng)中完全消除碳。在μSi的鋰化過(guò)程中，Li-Si的形成可以在整個(gè)電極中傳播，受益于Li-Si和μSi粒子之間的直接離子和電子接觸（圖1），作者發(fā)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程具有高度可逆性，不需要任何過(guò)量的鋰。作者進(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，可以在?20°C至80°C之間運(yùn)行，電池的面容量高達(dá)11 mAh cm?2（2890 mAh g-1）。隨后在5 mA cm-2處對(duì)μSi-NCM811全電池進(jìn)行循環(huán)后發(fā)現(xiàn)，在500次循環(huán)后可以提供80%的容量保留，這表明ASSBs使用的μSi的整體耐用性。圖文詳情
圖1. 99.9 wt% μSi電極在全固態(tài)電池中的示意圖圖2. 碳對(duì)SSE分解的影響(A)碳添加劑(20% wt %)對(duì)μSi || SSE || NCM811電池的電壓影響。核心區(qū)域的(B) XRD譜和(C到E) XPS譜，(C) S 2p、(D) Li 1s和(E) Si 2p圖3. SEI增長(zhǎng)的量化效應(yīng)(A)滴定氣相色譜法中使用的全電池電壓曲線(xiàn)。(B) Li-Si和SEI量vs電池容量。(C)用于EIS的Li-Si對(duì)稱(chēng)電池的電壓曲線(xiàn)。(D) Nyquist圖圖4. 觀(guān)察99.9 wt % Si的鋰化和脫鋰過(guò)程圖5. 全固態(tài)電池μSi||SSE||NCM811的性能通訊作者Ying Shirley Meng博士于2005年獲得新加坡-麻省理工學(xué)院聯(lián)盟(Singapore-MIT Alliance)的微納系統(tǒng)先進(jìn)材料博士學(xué)位，之后擔(dān)任博士后研究員，并成為麻省理工學(xué)院的研究科學(xué)家。她目前擔(dān)任Zable講座教授，能源技術(shù)，納米工程和材料科學(xué)，加州大學(xué)圣地亞哥分校(UCSD)教授。她是可持續(xù)能源和能源中心的創(chuàng)始董事。2011年獲得美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)職業(yè)成就獎(jiǎng)，2013年獲得加州大學(xué)圣地亞哥分校校長(zhǎng)跨學(xué)科合作獎(jiǎng)，2014年獲得巴斯夫和大眾汽車(chē)電化學(xué)科學(xué)獎(jiǎng)，電化學(xué)學(xué)會(huì)C.W.Tobias青年研究員獎(jiǎng)(2016)。IUMRS-新加坡青年科學(xué)家研究獎(jiǎng)(2017)、國(guó)際儲(chǔ)能與創(chuàng)新聯(lián)盟(ICESI)首屆青年職業(yè)獎(jiǎng)(2018)、美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)ACS應(yīng)用材料與界面青年研究者獎(jiǎng)(2018)、Blavatnik國(guó)家獎(jiǎng)(2018)入選者。她的研究小組——能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)室(LESC)——專(zhuān)注于用于能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換的功能性納米和微尺度材料。最近的項(xiàng)目包括先進(jìn)可充電電池中儲(chǔ)能材料的設(shè)計(jì)、合成、加工和操作特性；新型鈉離子電池插層材料以及用于電網(wǎng)大規(guī)模存儲(chǔ)的先進(jìn)液流電池。
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http://smeng.ucsd.edu/faculty/文獻(xiàn)信息Carbon-free high-loading silicon anodesenabled by sulfide solid electrolytes.Tan et al., Science 373, 1494–1499 (2021)https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg7217
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