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1月28日消息，近日，中国科学院青岛能源所开发出用于硫化物全固态电池的高性能硅负极，具有高库伦效率、低膨胀率和长循环的优异的电化学性能。其中，比容量达到2267mAh/g，经过50圈循环后，体积膨胀率仅有37.8%，远低于纯硅的300%膨胀率，在室温条件下经过1000次循环后容量保持率仍达81.7%。

这一突破性进展，来自中国科学院青岛生物能源与过程研究所武建飞研究团队。团队创新性提出 “玄武岩状多孔硅 + Li₁₃Si₄” 的 “预锂化 - 堡垒” 协同策略，从材料结构设计与预锂化调控两方面入手，成功攻克硅负极在硫化物全固态电池中体积膨胀过大、循环寿命短的行业难题，实现了电池性能的显著提升。相关研究成果以 “Prelithiation-Fortress” Strategy: Lithium–silicon alloy assisted porous silicon suppress volumetric expansion and long lifespan in all-solid-state batteries 为题，发表于能源领域期刊《Journal of Energy Storage》上。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、山东省博士后科学基金、山东省自然科学基金、青岛市博士后科学基金以及青岛市科学技术局的支持。

研究团队通过“自上而下”的镁热还原-氮化-酸蚀工艺，构筑出比表面积达20m²·g^-1、孔体积为0.05 cm³·g^-1的三维互联BSPSi多孔硅基骨架，为硅充放电过程中的巨大体积变化提供弹性缓冲空间；随后引入合金Li₁₃Si₄作为预锂化“锂库”，在负极内部同时构建高速离子/电子双导通网络。

BSPSi+Li₁₃Si₄复合负极结构示意图

该设计使BSPSi+Li₁₃Si₄复合负极表现出高库伦效率、低膨胀率和长循环的优异的电化学性能。复合负极具有2267 mAh·g^-1的比容量，相比于原始BSPSi多孔硅负极，首圈库伦效率（ICE）从81.7%提升至95.97%。经过50圈循环后，复合负极的体积膨胀率仅有37.8%，远低于纯硅的300%膨胀率。在室温条件下，BSPSi+Li₁₃Si₄复合负极经过1000次循环后容量保持率仍达81.7%，相比之下原始BSPSi仅能够承受200次循环。

在硫化物全固态电池硅负极的研究领域中，本工作取得的核心性能指标超过了大多数此前报道的研究结果。

密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示，Li₁₃Si₄体相与表面的Li⁺迁移势垒远低于固态电解质Li₆PS₅Cl，为负极内部提供了额外的“高速离子通道”。原位EIS-DRT分析证实，复合负极的界面电荷转移阻抗和固态扩散阻抗均显著降低，实现了快速、可逆的锂化/脱锂过程。

密度泛函理论计算结果

理论计算的结果表明，“玄武岩状多孔硅+Li₁₃Si₄”的“预锂化-堡垒”协同策略可有效解决界面退化、不可逆锂消耗及机械不稳定问题，显著提高BSPSi+Li₁₃Si₄复合负极的电化学活性，为全固态电池领域高性能硅基负极的设计开发提供了新的思路。

(来源：硅碳之家)