加州大學孟穎團隊Science:硅基電池新突破！硫化物固態電解質助力高載量無碳純硅全電池

CYM 2年前 (2021-09-24) 5246瀏覽

【引言】

由于其高的比容量（3500 mAh g^-1），硅（Si）已成為石墨（370 mAh g^-1）最有希望的替代負極。同時Si是地殼中第二豐富的元素，且對環境也無害以及表現出接近石墨的電化學電位。然而，硅基負極的開發在很大程度上受到對液態電解質界面穩定性差的阻礙。此外，鋰化過程中Si的體積膨脹 (>300%) 以及由于SEI生長而造成Li⁺的損失加劇。當前緩解容量衰減的研究重點集中在，設計復雜的Si納米結構和碳復合材料，以及與堅固的粘合劑結合以緩解Si負極粉末化。研究表明，鋰過量的不同數量使得評估每種策略的有效性具有挑戰性。除了少數使用各種預鋰化策略來補償Li⁺損失，大多數循環僅限于100次。雖然預鋰化可以有效延長循環壽命，但理想的硅負極應該由不需要進一步處理的原始微米級硅（μSi）顆粒組成。在全固態電池 (ASSB) 中使用固態電解質 (SSE) 是一種很有前景的替代方法，它能夠形成穩定且鈍化的SEI。然而目前大多數ASSB報告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。

今日，美國加州大學圣地亞哥分校Ying Shirley Meng（孟穎）教授和陳政博士（共同通訊作者）通過使用硫化物固態電解質的界面鈍化特性實現了質量分數為99.9的無碳純硅負極穩定循環。與傳統的液態電池結構不同，SSE不滲透多孔μSi電極，并且SSE和μSi電極之間的界面接觸面積減少到二維（2D）平面。在μSi鋰化后，盡管體積膨脹，但二維平面仍被保留，從而防止了新界面的產生。研究表明，體相μSi表現出3×10^-5?S cm^-1的電子電導率，與最常見的正極材料（10^-6至10^-4?S cm^-1）相當，因此不需要額外的碳添加劑。在μSi的鋰化過程中，Li-Si的形成可以在整個電極中傳播，這得益于Li-Si和μSi顆粒之間的直接離子和電子接觸。體相和表面表征以及界面成分的量化表明，這種策略消除了連續的界面生長和不可逆的鋰損失。同時，這個過程是高度可逆的，不需要任何過量的鋰。此外，由99.9wt% μSi組成的μSi||SSE||NCM811全電池在載量為11 mAh cm^-2和電流密度5 mA cm^-2的情況下，實現了在-20°C和80°C之間的穩定運行，在5 mA cm^-2下的穩定循環500次后可提供80%的容量保持率，從而證明了ASSB實現的μSi負極的整體循環穩定性。性能優異的原因可歸因于微米級硅和硫化物電解質之間理想的界面性能以及鋰硅合金的獨特化學機械行為。相關研究成果以“Carbon-free high-loading silicon anodes enabled by sulfide solid electrolytes”為題發表在Science上。