科學家探究硅負極力學-化學性質(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(shè)備充電，已經(jīng)成為現(xiàn)代人習以為常的操作。而“萬物皆可充電的世界”得以實現(xiàn)的根本原因，是鋰離子電池的成功開發(fā)。

液態(tài)鋰離子電池是鋰離子電池的一種類型。它因具備快速充電、高能量密度、良好的穩(wěn)定性等優(yōu)勢，幾乎應(yīng)用于當下所有的電子設(shè)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，像手機這類電子設(shè)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，可能會因為漏液而導(dǎo)致爆炸或起火。

不過，為了克服上述問題，近年來相關(guān)領(lǐng)域的科學家們已經(jīng)將研究目光轉(zhuǎn)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，對固態(tài)電解質(zhì)的使用也能導(dǎo)致電池可匹配更高的正極材料和鋰金屬材料，進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)域最為熱門的研究方向之一。英國牛津大學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（來源：霍翰宇）

他在研究過程中發(fā)現(xiàn)，固態(tài)鋰金屬電池中鋰金屬和固態(tài)電解質(zhì)的界面在接觸時不僅存在化學不穩(wěn)定的情況，還會生長出鋰枝晶，在經(jīng)過短期循環(huán)以后，很容易發(fā)生短路現(xiàn)象。

因此，他決定將研究方向轉(zhuǎn)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(wěn)定性均勝過鋰金屬。

“硅負極材料最大的問題在于，進行充放電時會發(fā)生 300% 的體積膨脹，而這很容易在固體-固體界面產(chǎn)生一系列問題，包括固體-固體界面的化學反應(yīng)和接觸失效等。”霍翰宇表示。

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-固體界面的化學反應(yīng)速率的同時，也對充放電過程中體積變化導(dǎo)致的固體-固體界面接觸失效進行了機理分析。

接著，他們根據(jù)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：“簡單來說，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帶來的應(yīng)力變化，并進行一些良好的自適調(diào)節(jié)，進而保證能夠抑制固體-固體界面的化學反應(yīng)和接觸不良。”

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

近日，相關(guān)論文以《固態(tài)電池中硅負極的化學機械失效機制》（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-李比希大學尤爾根·賈內(nèi)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，硅負極材料在固態(tài)電池中擁有良好的應(yīng)用前景。但目前來看，即便利用聚合物對固態(tài)硅基電池進行界面改性，可在實際循環(huán)的過程中，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(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。

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，降低運行過程中所需的大壓力，以使其迎來更好的商業(yè)化前景。

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

具體來說，雖然他曾加入過的所有實驗室都擁有良好的研究氛圍和先進的研究設(shè)備，但不同國家的科研節(jié)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(yīng)用的研究，德國和英國則更專注于機理研究。

“在北美和歐洲得到的這些研究體驗，也有助于我將應(yīng)用和機理的思維進行結(jié)合，以更加全面地推進在固態(tài)電池領(lǐng)域的研究。”霍翰宇說。