工程师们用纯硅阳极制造了一种高性能全固态电池。

工程师创造了一种新型电池，将两个有前途的电池子领域编织成一个电池。该电池同时使用固态电解质和全硅负极，使其成为硅全固态电池。最初几轮测试表明，新电池安全、持久且能量密集。它有望用于从电网存储到电动汽车的广泛应用。 

电池技术在 2021 年 9 月 24 日出版的《科学》杂志上有所描述。加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师与 LG Energy Solution 的研究人员合作领导了这项研究。 

硅阳极以其能量密度而闻名，其能量密度是当今商用锂离子电池中最常用的石墨阳极的 10 倍。另一方面，硅阳极因其在电池充电和放电时如何膨胀和收缩以及它们如何随着液体电解质而降解而臭名昭著。尽管能量密度诱人，但这些挑战使全硅阳极无法用于商用锂离子电池。得益于正确的电解质，发表在《科学》杂志上的这项新工作为全硅阳极提供了一条有希望的前进道路。

1）全固态电池由正极复合层、硫化物固体电解质层和无碳微硅负极组成。2) 充电前，离散的微型硅颗粒构成能量密集的阳极。在电池充电过程中，正锂离子从阴极移动到阳极，形成稳定的二维界面。3）随着更多的锂离子进入阳极，它与微硅反应形成相互连接的锂硅合金（Li-Si）颗粒。反应继续传播到整个电极。4) 反应使微硅粒子膨胀致密化，形成致密的锂硅合金电极。Li-Si合金和固体电解质的机械性能在保持二维界面的完整性和接触方面起着至关重要的作用。信用：

“通过这种电池配置，我们正在为使用硅等合金阳极的固态电池开辟一个新领域，”该论文的第一作者 Darren HS Tan 说。他最近在加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院完成了化学工程博士学位，并与他人共同创立了一家初创公司 UNIGRID Battery，该电池已获得该技术的许可。 

具有高能量密度的下一代固态电池一直依赖金属锂作为阳极。但这对电池充电速率和充电过程中对高温（通常为 60摄氏度或更高）的需求施加了限制。硅阳极克服了这些限制，允许在室温到低温下更快的充电速率，同时保持高能量密度。 

该团队展示了一种实验室规模的全电池，可提供 500 次充电和放电循环，并在室温下保持 80% 的容量，这代表了硅阳极和固态电池社区取得的令人振奋的进步。

硅作为阳极替代石墨

当然，硅阳极并不新鲜。几十年来，科学家和电池制造商一直将硅视为一种能量密集型材料，以混合或完全替代锂离子电池中的传统石墨阳极。理论上，硅的存储容量大约是石墨的 10 倍。然而在实践中，在阳极中添加硅以提高能量密度的锂离子电池通常会遇到现实世界的性能问题：特别是，电池在保持性能的同时可以充电和放电的次数不够高。  

大部分问题是由硅阳极和与之配对的液体电解质之间的相互作用引起的。充电和放电期间硅颗粒的大量体积膨胀使情况变得复杂。随着时间的推移，这会导致严重的容量损失。 

“作为电池研究人员，解决系统中的根本问题至关重要。对于硅阳极，我们知道其中一个大问题是液体电解质界面的不稳定性，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授 Shirley Meng 说，她是科学论文的通讯作者，也是加州大学圣地亚哥分校材料发现与设计研究所所长迭戈。“我们需要一种完全不同的方法，”孟说。

事实上，加州大学圣地亚哥分校领导的团队采取了不同的方法：他们消除了与全硅阳极一起使用的碳和粘合剂。此外，研究人员还使用了微硅，与更常用的纳米硅相比，它加工更少，成本更低。

全固态解决方案

除了从阳极上去除所有碳和粘合剂外，该团队还去除了液体电解质。相反，他们使用了硫化物基固体电解质。他们的实验表明，这种固体电解质在全硅阳极电池中非常稳定。 

“这项新工作为硅阳极问题提供了一个有前途的解决方案，尽管还有更多工作要做，”孟教授说，“我认为这个项目是对我们在加州大学圣地亚哥分校的电池研究方法的验证。我们将最严谨的理论和实验工作与创造力和开箱即用的思维相结合。我们也知道如何在应对严峻的基本挑战时与行业合作伙伴互动。” 

过去将硅合金阳极商业化的努力主要集中在硅-石墨复合材料上，或将纳米结构颗粒与聚合物粘合剂结合起来。但他们仍然在为稳定性差而苦苦挣扎。

通过将液体电解质换成固体电解质，同时从硅阳极中去除碳和粘合剂，研究人员避免了在电池运行时阳极浸泡在有机液体电解质中时出现的一系列相关挑战。 

同时，通过消除阳极中的碳，该团队显着减少了与固体电解质的界面接触（和不需要的副反应），避免了液体电解质通常会发生的连续容量损失。

这一分为两部分的举措使研究人员能够充分享受硅的低成本、高能量和环境友好特性的好处。

影响和衍生商业化

“固态硅方法克服了传统电池的许多限制。它为我们提供了令人兴奋的机会，以满足市场对更高体积能量、更低成本和更安全电池的需求，尤其是对于电网储能，”科学论文的第一作者 Darren HS Tan 说。 

人们通常认为基于硫化物的固体电解质非常不稳定。然而，这是基于液体电解质系统中使用的传统热力学解释，没有考虑到固体电解质优异的动力学稳定性。该团队看到了利用这种违反直觉的特性来制造高度稳定的阳极的机会。