科學(xué)家探究硅負極力學(xué)-化學(xué)性質(zhì)，助力高比能硅基全固態(tài)電池商業(yè)化

給手機、電腦等電子設備充電，已經(jīng)成為現代人習以為常的操作。而“萬(wàn)物皆可充電的世界”得以實(shí)現的根本原因，是鋰離子電池的成功開(kāi)發(fā)。

液態(tài)鋰離子電池是鋰離子電池的一種類(lèi)型。它因具備快速充電、高能量密度、良好的穩定性等優(yōu)勢，幾乎應用于當下所有的電子設備中。

但不可忽視的是，這種電池也具有兩方面重要缺陷。首先，其使用壽命不夠長(cháng)，像手機這類(lèi)電子設備通常一天便要充一次電。

其次，它的安全性也存在一定隱患，在遭受外界沖擊和破壞的情況下，可能會(huì )因為漏液而導致爆炸或起火。

不過(guò)，為了克服上述問(wèn)題，近年來(lái)相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家們已經(jīng)將研究目光轉向固態(tài)電池領(lǐng)域。

固態(tài)電池，顧名思義就是將液態(tài)電池中的可燃液體成分替換為固體成分。因為整個(gè)電池都由固體成分組成，所以它不具有可燃缺陷，能夠大大提高安全性。

與此同時(shí)，對固態(tài)電解質(zhì)的使用也能導致電池可匹配更高的正極材料和鋰金屬材料，進(jìn)而大大提升能量密度。

和其他的負極材料相比，鋰金屬負極擁有的比能量最高，所以它也是當前固態(tài)電池領(lǐng)域最為熱門(mén)的研究方向之一。英國牛津大學(xué)博士后研究員霍翰宇，便是該方向的一名研究人員。

圖丨霍翰宇（來(lái)源：霍翰宇）

他在研究過(guò)程中發(fā)現，固態(tài)鋰金屬電池中鋰金屬和固態(tài)電解質(zhì)的界面在接觸時(shí)不僅存在化學(xué)不穩定的情況，還會(huì )生長(cháng)出鋰枝晶，在經(jīng)過(guò)短期循環(huán)以后，很容易發(fā)生短路現象。

因此，他決定將研究方向轉到固態(tài)硅基電池，后者和鋰金屬具有同樣高的比能量，但生產(chǎn)成本和在空氣中的穩定性均勝過(guò)鋰金屬。

“硅負極材料最大的問(wèn)題在于，進(jìn)行充放電時(shí)會(huì )發(fā)生 300% 的體積膨脹，而這很容易在固體-固體界面產(chǎn)生一系列問(wèn)題，包括固體-固體界面的化學(xué)反應和接觸失效等?！被艉灿畋硎?。

基于此，為了弄清硅體積的膨脹和收縮對固態(tài)硅基電池的影響，他和所在課題組的成員在定量地解釋固體-固體界面的化學(xué)反應速率的同時(shí)，也對充放電過(guò)程中體積變化導致的固體-固體界面接觸失效進(jìn)行了機理分析。

接著(zhù)，他們根據失效分析提出了解決策略，即采用一層薄薄的聚合物改性層改善固體-固體的失效界面。

霍翰宇解釋道：“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這層聚合物改性層就像海綿一樣，能夠吸收硅材料體積膨脹或收縮時(shí)帶來(lái)的應力變化，并進(jìn)行一些良好的自適調節，進(jìn)而保證能夠抑制固體-固體界面的化學(xué)反應和接觸不良?！?/span>

圖丨硅鋰磷硫氯化物固體電解質(zhì)界面組分的表征（來(lái)源：Nature Materials）

近日，相關(guān)論文以《固態(tài)電池中硅負極的化學(xué)機械失效機制》（Chemo-mechanical failure mechanisms of the silicon anode in solid-state batteries）為題在 Nature Materials 上發(fā)表[1]。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Nature Materials）

霍翰宇為該論文的第一作者兼共同通訊作者，德國尤斯圖斯-李比希大學(xué)尤爾根·賈內克（Jürgen Janek）教授、德國馬克斯·普朗克鋼鐵研究所迪爾克·拉貝（Dierk Raabe）教授擔任該論文的共同通訊作者。

顯而易見(jiàn)，硅負極材料在固態(tài)電池中擁有良好的應用前景。但目前來(lái)看，即便利用聚合物對固態(tài)硅基電池進(jìn)行界面改性，可在實(shí)際循環(huán)的過(guò)程中，還是需要再加注 50 兆帕的巨大壓力，這也使得其商業(yè)化應用仍面臨挑戰。

因此，該團隊計劃在保證固態(tài)硅基電池擁有良好的循環(huán)的同時(shí)，降低運行過(guò)程中所需的大壓力，以使其迎來(lái)更好的商業(yè)化前景。

另外，如上所說(shuō)，霍翰宇一直聚焦于固態(tài)電池領(lǐng)域的研究。他的求學(xué)經(jīng)歷非常豐富，曾先后在加拿大、德國和英國等國家留學(xué)。而在不同的科研環(huán)境中，他也收獲了一些有趣的體驗。

具體來(lái)說(shuō)，雖然他曾加入過(guò)的所有實(shí)驗室都擁有良好的研究氛圍和先進(jìn)的研究設備，但不同國家的科研節奏和對課題的思考方式各不相同。比如，加拿大更注重對性能或應用的研究，德國和英國則更專(zhuān)注于機理研究。

“在北美和歐洲得到的這些研究體驗，也有助于我將應用和機理的思維進(jìn)行結合，以更加全面地推進(jìn)在固態(tài)電池領(lǐng)域的研究?！被艉灿钫f(shuō)。