中國科學院青島能源所又一全固態電池關鍵材料取得突破

近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所武建飛研究團隊提出“玄武巖狀多孔硅+Li₁₃Si₄”的“預鋰化-堡壘”協同策略，在硅負極硫化物全固態電池性能提升方面取得重要進展。相關研究成果以“Prelithiation-Fortress” Strategy: Lithium–silicon alloy assisted porous silicon suppress volumetric expansion and long lifespan in all-solid-state batteries為題，發表于能源領域期刊《Journal of Energy Storage》上。該研究工作得到了國家自然科學基金面上項目、山東省博士后科學基金、山東省自然科學基金、青島市博士后科學基金以及青島市科學技術局的支持。

研究團隊通過“自上而下”的鎂熱還原-氮化-酸蝕工藝，構筑出比表面積達20m²·g^-1、孔體積為0.05 cm³·g^-1的三維互聯BSPSi多孔硅基骨架，為硅充放電過程中的巨大體積變化提供彈性緩沖空間；隨后引入合金Li₁₃Si₄作為預鋰化“鋰庫”，在負極內部同時構建高速離子/電子雙導通網絡。

BSPSi+Li₁₃Si₄復合負極結構示意圖

該設計使BSPSi+Li₁₃Si₄復合負極表現出高庫倫效率、低膨脹率和長循環的優異的電化學性能。復合負極具有2267 mAh·g^-1的比容量，相比于原始BSPSi多孔硅負極，首圈庫倫效率（ICE）從81.7%提升至95.97%。經過50圈循環后，復合負極的體積膨脹率僅有37.8%，遠低于純硅的300%膨脹率。在室溫條件下，BSPSi+Li₁₃Si₄復合負極經過1000次循環后容量保持率仍達81.7%，相比之下原始BSPSi僅能夠承受200次循環。

在硫化物全固態電池硅負極的研究領域中，本工作取得的核心性能指標超過了大多數此前報道的研究結果。

密度泛函理論（DFT）計算進一步揭示，Li₁₃Si₄體相與表面的Li⁺遷移勢壘遠低于固態電解質Li₆PS₅Cl，為負極內部提供了額外的“高速離子通道”。原位EIS-DRT分析證實，復合負極的界面電荷轉移阻抗和固態擴散阻抗均顯著降低，實現了快速、可逆的鋰化/脫鋰過程。

密度泛函理論計算結果

理論計算的結果表明，“玄武巖狀多孔硅+Li₁₃Si₄”的“預鋰化-堡壘”協同策略可有效解決界面退化、不可逆鋰消耗及機械不穩定問題，顯著提高BSPSi+Li₁₃Si₄復合負極的電化學活性，為全固態電池領域高性能硅基負極的設計開發提供了新的思路。

據悉，武建飛帶領團隊自2016年開始布局硫化物全固態電池的研究工作。研究組自主開發了高性能硫化物固體電解質制備技術、電極包覆及連續涂布技術、超薄電解質膜制備及轉印技術以及高性能軟包電池制備技術等多項新技術，開發出具備優異倍率、循環和低溫性能的全固態軟包電池。5 C倍率放電容量保持率為63.7%；-20℃放電比容量為室溫的81%（0.1 C）；率先突破全固態軟包鋰電池循環壽命差的技術難點，成功開發出長循環壽命的全固態軟包鋰電池，循環4000次，容量保持率為80%。

2024年1月，由武建飛研究團隊完成的無機硫化物全固態電池關鍵技術開發項目，在青島通過了由中國化工學會組織的成果鑒定。由中國科學院院士、南開大學副校長陳軍等9位專家組成的鑒定委員會一致認為，該項目通過自主創新，技術成熟，研究成果達到國際先進水平，部分成果國際領先。

2024年4月，武建飛研究團隊在硫化物電解質研究取得新進展，解決了硫化物全固態電池疊層工藝的行業痛點及瓶頸問題，打通了硫化物全固態電池的大型車載電池制作工藝的最后一道難關，在硫化物軟包電池疊片技術上取得關鍵性突破。研究團隊制備的多層疊片軟包電池循環300次，容量幾乎不衰減，性能還在繼續測試中。

信息來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所、網絡公開信息等

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