科学家探究硅负极力学化学性质，助力高比能硅基全固态电池商业化
给手机、电脑等电子设备充电，已经成为现代人习以为常的操作。而“万物皆可充电的世界”得以实现的根本原因，是锂离子电池的成功开发。
液态锂离子电池是锂离子电池的一种类型。它因具备快速充电、高能量密度、良好的稳定性等优势，几乎应用于当下所有的电子设备中。
但不可忽视的是，这种电池也具有两方面重要缺陷。首先，其使用寿命不够长，像手机这类电子设备通常一天便要充一次电。
其次，它的安全性也存在一定隐患，在遭受外界冲击和破坏的情况下，可能会因为漏液而导致爆炸或起火。
不过，为了克服上述问题，近年来相关领域的科学家们已经将研究目光转向固态电池领域。
固态电池，顾名思义就是将液态电池中的可燃液体成分替换为固体成分。因为整个电池都由固体成分组成，所以它不具有可燃缺陷，能够大大提高安全性。
与此同时，对固态电解质的使用也能导致电池可匹配更高的正极材料和锂金属材料，进而大大提升能量密度。
和其他的负极材料相比，锂金属负极拥有的比能量最高，所以它也是当前固态电池领域最为热门的研究方向之一。英国牛津大学博士后研究员霍翰宇，便是该方向的一名研究人员。
图丨霍翰宇（来源：霍翰宇）
他在研究过程中发现，固态锂金属电池中锂金属和固态电解质的界面在接触时不仅存在化学不稳定的情况，还会生长出锂枝晶，在经过短期循环以后，很容易发生短路现象。
因此，他决定将研究方向转到固态硅基电池，后者和锂金属具有同样高的比能量，但生产成本和在空气中的稳定性均胜过锂金属。
“硅负极材料最大的问题在于，进行充放电时会发生 300% 的体积膨胀，而这很容易在固体-固体界面产生一系列问题，包括固体-固体界面的化学反应和接触失效等。”霍翰宇表示。
基于此，为了弄清硅体积的膨胀和收缩对固态硅基电池的影响，他和所在课题组的成员在定量地解释固体-固体界面的化学反应速率的同时，也对充放电过程中体积变化导致的固体-固体界面接触失效进行了机理分析。
接着，他们根据失效分析提出了解决策略，即采用一层薄薄的聚合物改性层改善固体-固体的失效界面。
霍翰宇解释道：“简单来说，这层聚合物改性层就像海绵一样，能够吸收硅材料体积膨胀或收缩时带来的应力变化，并进行一些良好的自适调节，进而保证能够抑制固体-固体界面的化学反应和接触不良。”
图丨硅锂磷硫氯化物固体电解质界面组分的表征（来源：Nature Materials）
近日，相关论文以《固态电池中硅负极的化学机械失效机制》（Chemo-mechanical failure mechanisms of the silicon anode in solid-state batteries）为题在 Nature Materials 上发表[1]。
图丨相关论文（来源：Nature Materials）
霍翰宇为该论文的第一作者兼共同通讯作者，德国尤斯图斯-李比希大学尤尔根·贾内克（Jürgen Janek）教授、德国马克斯·普朗克钢铁研究所迪尔克·拉贝（Dierk Raabe）教授担任该论文的共同通讯作者。
显而易见，硅负极材料在固态电池中拥有良好的应用前景。但目前来看，即便利用聚合物对固态硅基电池进行界面改性，可在实际循环的过程中，还是需要再加注 50 兆帕的巨大压力，这也使得其商业化应用仍面临挑战。
因此，该团队计划在保证固态硅基电池拥有良好的循环的同时，降低运行过程中所需的大压力，以使其迎来更好的商业化前景。
另外，如上所说，霍翰宇一直聚焦于固态电池领域的研究。他的求学经历非常丰富，曾先后在加拿大、德国和英国等国家留学。而在不同的科研环境中，他也收获了一些有趣的体验。
具体来说，虽然他曾加入过的所有实验室都拥有良好的研究氛围和先进的研究设备，但不同国家的科研节奏和对课题的思考方式各不相同。比如，加拿大更注重对性能或应用的研究，德国和英国则更专注于机理研究。
“在北美和欧洲得到的这些研究体验，也有助于我将应用和机理的思维进行结合，以更加全面地推进在固态电池领域的研究。”霍翰宇说。
参考资料：
1.Huo, H., Jiang, M., Bai, Y.et al. Chemo-mechanical failure mechanisms of the silicon anode in solid-state batteries. Nature Materials. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01792-x
https://pvbuzz.com/silicon-anodes-in-solid-state-batteries-enhanced-battery-performance/
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