硅（Si）的比容量超過3500 mAh g-1，已成為石墨陽極（比容量約為370 mAh g-1）的有前途的替代品，來增加鋰離子電池（LIB）的能量密度，將其用于電動汽車和便攜式設備等各種儲能應用。除了是地殼中第二豐富的元素外，硅還對環境友好，并表現出接近石墨的電化學勢（0.3 V vs Li/Li+）。然而，由于高活性鋰硅合金和液態電解質之間SEI的連續生長，硅陽極的循環和保質期差阻礙了硅陽極的商業化。這些缺陷因鋰化過程中Si的體積大幅膨脹（>300%）以及SEI增長導致的Li+庫存損失和密封在內的鋰硅合金不可逆轉地被困而加劇。
目前，緩解容量衰減的努力包括使用復雜的硅納米結構，結合碳復合材料和堅固的粘結劑基質，以減輕粉化。還探索了液態電解質改性，包括使用環醚、氟化添加劑或其他穩定SEI的離子液體添加劑。少數報告使用各種預鋰化策略來補償鋰庫存損失。雖然預鋰化可以有效地延長循環壽命，但理想的硅陽極應該由不需要進一步處理的原始微硅（μSi）顆粒組成，從低成本、環境空氣穩定性和環境良性的好處中受益。為了實現這一潛力，應該解決兩個關鍵挑戰：（i）穩定Li-Si|電解質界面，防止SEI的持續增長和被困的Li-Si積累；（ii）緩解體積膨脹導致Li+消耗的新界面的增長。2021年9月24日，加州大學圣地亞哥分校孟穎（Ying Shirley Meng）教授和陳政教授在Science發表重磅成果，Carbon-free high-loading silicon anodesenabled by sulfide solid electrolytes，利用硫化物固體電解質（SSE）實現了穩定的無碳高負載硅陽極。在本工作中，μSi||SSE|NCM811電池中使用了由99.9 wt % μSi組成的μSi電極，以克服μSi的界面穩定性挑戰和全固態電池（ASSBs）當前的密度限制。與傳統的液體電解液電池結構不同，SSE不會滲透到多孔μSi電極（圖1），SSE和μSi電極之間的界面接觸區域減少到二維（2D）平面。在μSi鋰化后，盡管體積膨脹，2D平面仍被保留，從而防止了新界面的生成。塊體μSi表現出約3×10-5 S cm-1的電子導電性，與最常見的陰極材料（~10-6至10-4 S cm-1）相當，因此不需要額外的碳添加劑。此外，眾所周知，碳損害了硫化物SSE的穩定性，因為它促進了SSE分解。雖然某些類型的碳被發現與無陽極ASSB兼容，但最好在μSi ASSB系統中完全消除碳。在μSi的鋰化過程中，Li-Si的形成可以在整個電極中傳播，受益于Li-Si和μSi粒子之間的直接離子和電子接觸（圖1），作者發現這個過程具有高度可逆性，不需要任何過量的鋰。作者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，可以在?20°C至80°C之間運行，電池的面容量高達11 mAh cm?2（2890 mAh g-1）。隨后在5 mA cm-2處對μSi-NCM811全電池進行循環后發現，在500次循環后可以提供80%的容量保留，這表明ASSBs使用的μSi的整體耐用性。圖文詳情
圖1. 99.9 wt% μSi電極在全固態電池中的示意圖圖2. 碳對SSE分解的影響(A)碳添加劑(20% wt %)對μSi || SSE || NCM811電池的電壓影響。核心區域的(B) XRD譜和(C到E) XPS譜，(C) S 2p、(D) Li 1s和(E) Si 2p圖3. SEI增長的量化效應(A)滴定氣相色譜法中使用的全電池電壓曲線。(B) Li-Si和SEI量vs電池容量。(C)用于EIS的Li-Si對稱電池的電壓曲線。(D) Nyquist圖圖4. 觀察99.9 wt % Si的鋰化和脫鋰過程圖5. 全固態電池μSi||SSE||NCM811的性能通訊作者Ying Shirley Meng博士于2005年獲得新加坡-麻省理工學院聯盟(Singapore-MIT Alliance)的微納系統先進材料博士學位，之后擔任博士后研究員，并成為麻省理工學院的研究科學家。她目前擔任Zable講座教授，能源技術，納米工程和材料科學，加州大學圣地亞哥分校(UCSD)教授。她是可持續能源和能源中心的創始董事。2011年獲得美國國家科學基金會(NSF)職業成就獎，2013年獲得加州大學圣地亞哥分校校長跨學科合作獎，2014年獲得巴斯夫和大眾汽車電化學科學獎，電化學學會C.W.Tobias青年研究員獎(2016)。IUMRS-新加坡青年科學家研究獎(2017)、國際儲能與創新聯盟(ICESI)首屆青年職業獎(2018)、美國化學學會ACS應用材料與界面青年研究者獎(2018)、Blavatnik國家獎(2018)入選者。她的研究小組——能量存儲和轉換實驗室(LESC)——專注于用于能量存儲和轉換的功能性納米和微尺度材料。最近的項目包括先進可充電電池中儲能材料的設計、合成、加工和操作特性；新型鈉離子電池插層材料以及用于電網大規模存儲的先進液流電池。
課題組網站：
http://smeng.ucsd.edu/faculty/文獻信息Carbon-free high-loading silicon anodesenabled by sulfide solid electrolytes.Tan et al., Science 373, 1494–1499 (2021)https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg7217
