【會議報告】硅基負極材料結構設計及其性能研究進展

硅負極具有3579mAh g^-1的高理論比容量，但在鋰化/去鋰化過程中巨大的體積變化（約300%）會導致材料結構破壞，表現出低功率密度和較差的循環(huán)穩(wěn)定性。同時，硅電極表面上的SEI脆弱且不穩(wěn)定，無法承受巨大體積變化，在循環(huán)過程中會不斷破壞和重構。納米化的硅雖然提高了離子傳輸性能，但較大比表面積和加劇的副反應會消耗電解液，導致容量快速衰減。高溫下這些不良反應會加速，尤其在大電流密度下容易發(fā)生析鋰，可能導致熱失控，帶來嚴重的安全風險。

通過電解液調控和電極設計可實現特定組分/結構的穩(wěn)定SEI，但如何在電極與電解液間構筑高效界面保護層仍是一個難題。

電極和電解液之間的相互作用引起了越來越多的關注。電解液添加劑可以提高電極的界面穩(wěn)定性，其氧化還原路徑具有多樣性，同時電極材料表面的差異性導致反應活性與路徑不同。過渡金屬的特殊d軌道可催化電解液分解，通過調控官能團或引入雜原子可有效提升電化學活性。通過電極結構與電解液的協同設計，可使目標溶劑分子特異性吸附于電極表面的內亥姆霍茲面，進而優(yōu)先分解形成特定組分的SEI。因此，亟需通過控制電極與電解質界面之間的相互作用，從而構建穩(wěn)定的SEI。

近期，上海大學施利毅教授團隊及復旦大學夏永姚教授團隊通過協同刻蝕和水解過程，在多孔硅表面原位構筑了一層納米級超薄且均勻的氧化鋁-氧化鈦（ATO）催化界面。該富含缺陷的氧化物界面促進了氟乙烯碳酸酯（FEC）的選擇性吸附，并催化其轉化為LiF。由此產生的富含無機物的SEI層具有電化學穩(wěn)定性，有利于離子傳輸，尤其是在高倍率循環(huán)和高溫條件下。這種具有大比表面積的多孔硅（114 m² g_-1）被堅固的SEI層所保護，其初始庫侖效率高達84.7%，即使在25 A g^-1的高倍率下仍能保持692 mAh g^-1的可逆容量，并且在5 A g^-1下1000次循環(huán)中平均庫侖效率高達99.7%，同時在50℃，2 A g^-1下循環(huán)500次后的容量保持率達80.0%，顯著優(yōu)于同類型的硅負極材料。通過這種催化層構建的穩(wěn)定SEI，為快充電池及高溫下硅基負極的發(fā)展提供了一種借鑒思路。

針對各類負極材料的產業(yè)化技術與國內外市場狀況，中國粉體網將于2025年6月24-25日在安徽·合肥舉辦第二屆硅基負極材料技術與產業(yè)高峰論壇暨2025CVD硅碳負極材料前沿技術論壇。旨在為負極材料產業(yè)鏈上中下游企業(yè)搭建深度交流的平臺，開展產、學、研合作，助推負極材料行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。屆時，上海大學施利毅教授將作題為《硅基負極材料結構設計及其性能研究進展》的報告。報告將介紹施利毅教授課題組近期工作：

1、通過協同刻蝕和水解過程，在多孔硅表面原位構筑納米級均勻氧化鋁-氧化鈦催化界面，促進了氟乙烯碳酸酯選擇性吸附，并催化其轉化為LiF。富含無機物SEI層具有電化學穩(wěn)定性，有利于離子傳輸，常溫及高溫條件下顯著優(yōu)于同類型硅負極材料。

2、通過多元雜化體系設計，提升離子與電子協同導電能力，有效抑制了充放電過程中硅體積膨脹，促進了硅基負極表面穩(wěn)定固態(tài)電解質界面層形成，有利于延長電池循環(huán)壽命。

專家簡介：

施利毅，上海大學教授（二級），博士生導師，教育部材料復合及先進分散技術工程中心主任。主要研究方向為納米材料可控制備及應用技術開發(fā)，多項成果在鋰電材料、先進制程集成電路、特高壓安全保護等領域轉化應用。榮獲國家教育部、上海市、河南省等省部級科技獎勵一等獎、二等獎10余項。授權中國發(fā)明專利近300項、國際發(fā)明專利40項；發(fā)表學術論文600余篇，H指數103，2020-2024年入選全球高被引學者，并入選全球前0.05%頂尖學者名單。

信息來源：

上大呂盈盈&復旦夏永姚等：在多孔硅上催化誘導高穩(wěn)定性界面助力高倍率鋰離子電池.nanomicroletters

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