AEM：石墨-硅扩散依赖电极助力高性能全固态电池

电极设计与电子和离子传输密切相关，是影响全固态电池性能的重要因素。为实现先进的储能设备，迫切需要深入了解电荷载流子的运动及其与电极结构的关系。

韩国大邱庆北科学技术院Yong Min Lee、电子与电信研究所Ju Young Kim等提出了一种主要由石墨和硅混合活性材料组成的简单电极配置，以同时满足全固态电池的高功率和高能量密度。

图1 不同电极的结构和锂离子传输示意图

该电极可有效地利用活性材料颗粒之间的相互扩散进行充电/放电。机械顺应性石墨可以适应硅的体积变化，并不断为硅提供丰富的电子，从而实现稳定的电化学反应。与石墨相比，硅具有更高的体积容量，缩短了电极中的有效扩散路径，同时增加能量密度。

此外，作者发现石墨-硅扩散依赖性电极的性能高度依赖于硅颗粒尺寸，特别是纳米级硅的使用导致其在整个电极中的均匀分布，这增加了石墨和硅之间能够相互扩散的接触面积，并减少了扩散率相对较低的团聚硅中的扩散。

图2 石墨/微米硅电极的表征和性能

基于优化的电极组成，硅纳米颗粒占活性材料总重量（石墨/硅90/10，wt%）10wt%的全固态电极稳定地提供了2.94 mAh cm^-2和997 mAh cm^-3的高面积和体积容量，即使在高电流密度(1.77 mA cm^-2)下也保持了2.76 mAh cm^-2和935 mAh cm^-3。

从这些结果来看，作者认为电极设计对于实现高性能全固态电池至关重要，这种有趣而简单的电极结构将是一种有效的电极配置，也将刺激高性能全固态电池合理电极设计的研究。

图3 石墨/纳米硅为90/10（wt）的电极的电化学性能

Graphite–Silicon Diffusion-Dependent Electrode with Short Effective Diffusion Length for High-Performance All-Solid-State Batteries. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202103108

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