硅（Si）的比容量超过3500 mAh g-1，已成为石墨阳极（比容量约为370 mAh g-1）的有前途的替代品，来增加锂离子电池（LIB）的能量密度，将其用于电动汽车和便携式设备等各种储能应用。除了是地壳中第二丰富的元素外，硅还对环境友好，并表现出接近石墨的电化学势（0.3 V vs Li/Li+）。然而，由于高活性锂硅合金和液态电解质之间SEI的连续生长，硅阳极的循环和保质期差阻碍了硅阳极的商业化。这些缺陷因锂化过程中Si的体积大幅膨胀（>300%）以及SEI增长导致的Li+库存损失和密封在内的锂硅合金不可逆转地被困而加剧。
目前，缓解容量衰减的努力包括使用复杂的硅纳米结构，结合碳复合材料和坚固的粘结剂基质，以减轻粉化。还探索了液态电解质改性，包括使用环醚、氟化添加剂或其他稳定SEI的离子液体添加剂。少数报告使用各种预锂化策略来补偿锂库存损失。虽然预锂化可以有效地延长循环寿命，但理想的硅阳极应该由不需要进一步处理的原始微硅（μSi）颗粒组成，从低成本、环境空气稳定性和环境良性的好处中受益。为了实现这一潜力，应该解决两个关键挑战：（i）稳定Li-Si|电解质界面，防止SEI的持续增长和被困的Li-Si积累；（ii）缓解体积膨胀导致Li+消耗的新界面的增长。2021年9月24日，加州大学圣地亚哥分校孟颖（Ying Shirley Meng）教授和陈政教授在Science发表重磅成果，Carbon-free high-loading silicon anodesenabled by sulfide solid electrolytes，利用硫化物固体电解质（SSE）实现了稳定的无碳高负载硅阳极。在本工作中，μSi||SSE|NCM811电池中使用了由99.9 wt % μSi组成的μSi电极，以克服μSi的界面稳定性挑战和全固态电池（ASSBs）当前的密度限制。与传统的液体电解液电池结构不同，SSE不会渗透到多孔μSi电极（图1），SSE和μSi电极之间的界面接触区域减少到二维（2D）平面。在μSi锂化后，尽管体积膨胀，2D平面仍被保留，从而防止了新界面的生成。块体μSi表现出约3×10-5 S cm-1的电子导电性，与最常见的阴极材料（~10-6至10-4 S cm-1）相当，因此不需要额外的碳添加剂。此外，众所周知，碳损害了硫化物SSE的稳定性，因为它促进了SSE分解。虽然某些类型的碳被发现与无阳极ASSB兼容，但最好在μSi ASSB系统中完全消除碳。在μSi的锂化过程中，Li-Si的形成可以在整个电极中传播，受益于Li-Si和μSi粒子之间的直接离子和电子接触（图1），作者发现这个过程具有高度可逆性，不需要任何过量的锂。作者进行了单独的全电池实验，实现了高达5 mA cm−2的电流密度，可以在−20°C至80°C之间运行，电池的面容量高达11 mAh cm−2（2890 mAh g-1）。随后在5 mA cm-2处对μSi-NCM811全电池进行循环后发现，在500次循环后可以提供80%的容量保留，这表明ASSBs使用的μSi的整体耐用性。图文详情
图1. 99.9 wt% µSi电极在全固态电池中的示意图图2. 碳对SSE分解的影响(A)碳添加剂(20% wt %)对µSi || SSE || NCM811电池的电压影响。核心区域的(B) XRD谱和(C到E) XPS谱，(C) S 2p、(D) Li 1s和(E) Si 2p图3. SEI增长的量化效应(A)滴定气相色谱法中使用的全电池电压曲线。(B) Li-Si和SEI量vs电池容量。(C)用于EIS的Li-Si对称电池的电压曲线。(D) Nyquist图图4. 观察99.9 wt % Si的锂化和脱锂过程图5. 全固态电池µSi||SSE||NCM811的性能通讯作者Ying Shirley Meng博士于2005年获得新加坡-麻省理工学院联盟(Singapore-MIT Alliance)的微纳系统先进材料博士学位，之后担任博士后研究员，并成为麻省理工学院的研究科学家。她目前担任Zable讲座教授，能源技术，纳米工程和材料科学，加州大学圣地亚哥分校(UCSD)教授。她是可持续能源和能源中心的创始董事。2011年获得美国国家科学基金会(NSF)职业成就奖，2013年获得加州大学圣地亚哥分校校长跨学科合作奖，2014年获得巴斯夫和大众汽车电化学科学奖，电化学学会C.W.Tobias青年研究员奖(2016)。IUMRS-新加坡青年科学家研究奖(2017)、国际储能与创新联盟(ICESI)首届青年职业奖(2018)、美国化学学会ACS应用材料与界面青年研究者奖(2018)、Blavatnik国家奖(2018)入选者。她的研究小组——能量存储和转换实验室(LESC)——专注于用于能量存储和转换的功能性纳米和微尺度材料。最近的项目包括先进可充电电池中储能材料的设计、合成、加工和操作特性；新型钠离子电池插层材料以及用于电网大规模存储的先进液流电池。
课题组网站：
http://smeng.ucsd.edu/faculty/文献信息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
