【研究亮點】透過使用硫化物固體電解質的介面鈍化特性，使99.9 wt％的微米級矽顆粒負極穩定執行。組裝的全固態電池在各種溫度範圍內都表現出良好的效能，並具有出色的迴圈壽命。
【主要內容】比容量超過3500 mAh g-1的矽負極已成為石墨基負極（比容量約為370 mAh g-1）有前景的替代品，以增加鋰離子電池的能量密度，可用於各種儲能應用，例如電動汽車和行動式裝置。然而，由於高反應性Li-Si合金和有機液體電解質之間的連續固體電解質中間相 (SEI) 生長，Si 負極的迴圈穩定性較差，從而阻礙了其商業化。這些問題因鋰化過程中 Si 的大體積膨脹 (>300%) 以及由於 SEI 生長和不可逆地被封閉在其中的Li-Si合金造成的鋰離子損失而加劇。
目前緩解Si基電池容量衰減的方法主要包括使用複雜的矽奈米結構以及結合碳複合材料和堅固的粘合劑基質等。雖然預鋰化可以有效延長迴圈壽命，但理想的矽負極應該由不需要進一步處理的原始微矽 (μSi) 顆粒組成，從而達到低成本、環境空氣穩定性和環境友好特性。為了實現這一潛力，應該解決以下兩個關鍵挑戰：（1）穩定Li-Si合金|電解質介面以防止連續SEI生長和被封閉的Li-Si積累（2）減少由體積膨脹引起的新介面的生長，從而減少鋰離子消耗。
Si穩定性問題主要來自於Si與液體電解質的介面。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，因為它能夠形成穩定且鈍化的 SEI。目前大多數ASSB研究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。然而，金屬鋰負極的小臨界電流密度通常要求在高溫下執行，尤其是在電池充電期間。
鑑於此，來自加州大學聖地亞哥分校的Zheng Chen (陳政), Ying Shirley Meng (孟穎) 課題組提出了由99.9 wt% μSi作為負極用於μSi||SSE||NCM811電池，以克服μSi的介面穩定性挑戰和ASSB的電流密度限制。與此同時，透過去除負極中的碳，顯著減少了與固體電解質的介面接觸（和不需要的副反應），避免了液體電解質通常發生的連續容量損失。在鋰化過程中，在μSi和SSE之間會形成鈍化SEI，隨之介面附近的μSi顆粒會進行鋰化。高反應性的Li-Si會與其附近的Si顆粒發生反應。這個反應會在整個電極中傳播，從而形成緻密的Li-Si層。實驗發現這個過程在不需要任何過量的鋰源情況下是高度可逆的。
研究人員進行了單獨的全電池實驗，實現了高達5 mA cm-2的電流密度、-20° 到 80°C 之間的執行以及不同電池高達 11 mAh cm-2 (2890 mAh g-1) 的面積容量。μSi-NCM811全電池在 5 mA cm-2 下500次迴圈後仍可提供 80% 的容量保持率，證明了利用ASSB實現的μSi的整體迴圈穩定性。本文提出的固態矽電池方法克服了傳統電池中的許多限制，它為電池領域提供了令人興奮的機遇，可滿足市場對更高體積能量、更低成本和更安全電池的需求。
Fig. 1 | Schematic of 99.9 wt % μSi electrode in an ASSB full cell.
Fig. 2 | Carbon effects on SSE decomposition.
Fig. 3 | Quantifying effects of SEI growth.
Fig. 4 | Visualizing lithiation and delithiation of 99.9 wt % Si.
Fig. 5 | μSi||SSE||NCM811 performance.
【文獻資訊】Darren H. S. Tan, Zheng Chen, Ying Shirley Meng, et al. Carbon-free high-loading silicon anodes enabled by sulfide solid electrolytes. Science 373, 1494–1499 (2021).https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg7217
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