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利用硅（Si）、硅基（Si-B）和硅衍生物（Si-D）負極與高容量/高電壓嵌入型正極（IC）相結合的可充電鋰基電池技術引起了廣泛關注。這源于它們實際上可實現的能量密度，為電動汽車和可再生能源提供了新途徑。然而，這種高能系統受到其復雜化學和內在缺點的限制。

圖1. 多年來鋰離子電池的發展概況

在此，德國卡爾斯魯厄理工學院Stefano Passerini教授及亞琛工業大學Egbert Figgemeier等人對由Si/Si-B/Si-D負極與IC正極材料制成的可充電電池進行了深入剖析。

作者首先提供了對電極材料的詳細分析，確立了電池級性能與原子/材料級屬性之間的相關性，總結了Si/Si-B/Si-D||IC電池面臨的挑戰：為了將該技術商業化，Si/Si-B/Si-D負極會遭受非常大的體積變化，IC正極主要受其化學/電化學不穩定性（如陽離子置換、過渡金屬離子的溶解、活性氧釋放等）影響。

圖2. 電池級性能與原子/材料級特性之間的相關性

在器件方面，作者指出產業化時應考慮各種標準以充分評估電池的性能，即能量效率、使用壽命（循環/日歷壽命）、能量密度、倍率性能、穩定性、安全性和成本等，并以此為目標給出了緩解策略（包括庫倫效率和能量效率方面、電解液設計、預鋰化、聚合物粘結劑的設計、Si負極顆粒和合金工程等）。最后提出了當前電池發展的前景、對未來研究方向的洞察以及推進Si/Si-B/Si-D||IC電池發展的指導方針。

圖3. Si/Si-B/Si-D||IC電池的挑戰和解決方案

Production of high-energy Li-ion batteries comprising silicon-containing anodes and insertion-type cathodes, Nature Communications 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-25334-8

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最新Nature子刊：含硅負極和嵌入型正極的高能鋰離子電池的產業化

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