SEI是在电极表面形成的一层界面，是电池中电化学反应的重要组成部分，对电池的稳定性起着至关重要的作用。活性材料，尤其是那些有极高能量密度的材料，如硅(Si)，常常不可避免地接受大量离子的插入和脱出，提高能量密度的一个关键问题是，SEI如何与材料交互响应和演变，从而控制电池的循环稳定性。
一般认为，Si的容量衰减是由于固有的大体积变化和随后SEI的重复循环积累引起的，这是这类材料的普遍预期。通常，体积变化会导致Si的开裂，SEI的破裂、再生和累积生长，以及伴随的失去电接触。这一观点似乎是自洽的，解释了大于临界尺寸(通常为150 nm)的硅的容量衰减，但与纳米硅的容量衰减不一致，其中材料的开裂问题被缩小的颗粒尺寸显著减缓。
除电极级失效外，纳米Si的容量衰减或多或少与材料表面SEI层的增厚有关，以及Si和Li等活性材料的逐渐损失和电化学-机械降解。然而，关于SEI在循环过程中对电极大体积变化响应的结构和化学动态演化的关键实验证据仍然缺乏。
美国西北太平洋国家实验室的王崇民研究员、李晓林研究员、宾州州立大学张宿林教授和洛斯阿拉莫斯国家实验室Jinkyoung Yoo等人在Nature Nanotechnology上发表最新成果，从微观角度给我们解读了Si负极容量损失的根源。
在这里，作者在不锈钢上上沉积Si纳米线，与锂组成电池，经过锂化和去锂化的循环后，作者通过集成敏感元素层析成像、先进的算法和低温扫描透射电子显微镜，对Si的形貌和成分进行表征，作者揭示了硅和SEI的三维相关结构和化学演化。在化学力学模型的证实下，作者证明了在脱锂过程中，由于空位产生和缩合，电解液沿着纳米孔洞的渗流通道逐步渗透，导致SEI生长。因此，Si-SEI空间结构的发展从经典的前几个周期的“核壳”结构到了后面长循环的“葡萄干布丁”结构，Si被SEI包围为主要特征，这导致电子传导通路的破坏和形成死Si，造成容量损失。这里的SEI与活性材料的空间耦合交互演化模型原则上适用于大容量电极材料，为修复大容量电极的衰落提供了重要的见解。
图2. Cryo-STEM-HAADF图像和EDS元素组成图，以说明Si和SEI在循环过程中的结构和化学演变
图3. Cryo-STEM-EDS成像技术研究了Si-SEI复合材料36次循环后的三维结构和元素分布
图4. 用3D cryo-STEM-EDS从两个方向分段观察化学成分，以说明Si和SEI层的空间相关演化与电池循环
图5. 基于微观结构的锂化/去锂化周期SEI向内生长模型
He, Y., Jiang, L., Chen, T. et al. Progressive growth of the solid–electrolyte interphase towards the Si anode interior causes capacity fading. Nat. Nanotechnol. (2021).
https://doi.org/10.1038/s41565-021-00947-8
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