加州大学孟颖团队Science:硅基电池新突破！硫化物固态电解质助力高载量无碳纯硅全电池

CYM 3年前 (2021-09-24) 6812浏览

【引言】

由于其高的比容量（3500 mAh g^-1），硅（Si）已成为石墨（370 mAh g^-1）最有希望的替代负极。同时Si是地壳中第二丰富的元素，且对环境也无害以及表现出接近石墨的电化学电位。然而，硅基负极的开发在很大程度上受到对液态电解质界面稳定性差的阻碍。此外，锂化过程中Si的体积膨胀 (>300%) 以及由于SEI生长而造成Li⁺的损失加剧。当前缓解容量衰减的研究重点集中在，设计复杂的Si纳米结构和碳复合材料，以及与坚固的粘合剂结合以缓解Si负极粉末化。研究表明，锂过量的不同数量使得评估每种策略的有效性具有挑战性。除了少数使用各种预锂化策略来补偿Li⁺损失，大多数循环仅限于100次。虽然预锂化可以有效延长循环寿命，但理想的硅负极应该由不需要进一步处理的原始微米级硅（μSi）颗粒组成。在全固态电池 (ASSB) 中使用固态电解质 (SSE) 是一种很有前景的替代方法，它能够形成稳定且钝化的SEI。然而目前大多数ASSB报告都集中在金属锂的使用上，以最大限度地提高电池能量密度。

今日，美国加州大学圣地亚哥分校Ying Shirley Meng（孟颖）教授和陈政博士（共同通讯作者）通过使用硫化物固态电解质的界面钝化特性实现了质量分数为99.9的无碳纯硅负极稳定循环。与传统的液态电池结构不同，SSE不渗透多孔μSi电极，并且SSE和μSi电极之间的界面接触面积减少到二维（2D）平面。在μSi锂化后，尽管体积膨胀，但二维平面仍被保留，从而防止了新界面的产生。研究表明，体相μSi表现出3×10^-5 S cm^-1的电子电导率，与最常见的正极材料（10^-6至10^-4 S cm^-1）相当，因此不需要额外的碳添加剂。在μSi的锂化过程中，Li-Si的形成可以在整个电极中传播，这得益于Li-Si和μSi颗粒之间的直接离子和电子接触。体相和表面表征以及界面成分的量化表明，这种策略消除了连续的界面生长和不可逆的锂损失。同时，这个过程是高度可逆的，不需要任何过量的锂。此外，由99.9wt% μSi组成的μSi||SSE||NCM811全电池在载量为11 mAh cm^-2和电流密度5 mA cm^-2的情况下，实现了在-20°C和80°C之间的稳定运行，在5 mA cm^-2下的稳定循环500次后可提供80%的容量保持率，从而证明了ASSB实现的μSi负极的整体循环稳定性。性能优异的原因可归因于微米级硅和硫化物电解质之间理想的界面性能以及锂硅合金的独特化学机械行为。相关研究成果以“Carbon-free high-loading silicon anodes enabled by sulfide solid electrolytes”为题发表在Science上。