作者：王欽 1 張艷崗 1梁君飛 1 王華 2
單位：1. 中北年夜學動力與動力工程學院；2. 北京航空航天年夜學化學學院
援用： 王欽, 張艷崗, 梁君飛, 等. 硅基固態電池的界面掉效挑戰與應對戰略[J]. 儲能科學與技術, 2025, 14(2): 570-582.
WANG Qin, ZHANG Yangang, LIANG Junfei, et al. Challenges and strategies for interface failures in silicon-based solid-state batteries[J]. Energy Storage Science and Technology, 2025, 14(2): 570-582.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0774
本文亮點：1，總結了純硅資料的鋰化過程中離子電導率，電子電導率，楊氏模量機能的變化，這對于純硅電極在固態電池中的應器具有新的思緒啟發；
2，總結了硅基固態電池中面臨的界面掉效問題，并總結清楚決界面掉效問題的最新計劃，包含粘結包養劑、緩沖甜心寶貝包養網層的應用、電極資料結構設計以及電極資料和電解質的粒徑婚配等計劃；
3，報道了固態電池循環壓力對機能的影響，等靜態循環壓力有助于循環機能晉陞以及可以供給一個統一、準確的循環壓力評估標準。
摘 要 硅基資料因較高的理論比容量被認為是固態電池中最有遠景的負極資料之一。但是，在充放電過程中，硅基電極資料和固態電解質不難發生界面掉效，破壞了界面處的離子電子傳輸通路、惹起電池內部阻抗增添以及電流密度分布不均勻，最終形成電池容量和循環壽命的衰減，這是設計高比能和長循環硅基固態電池時面臨的挑戰之一。本文起首從硅基資料的晶體結構、臨界直徑和電化學燒結方面闡述了界面掉效的緣由，并介紹了嵌鋰數量對純硅資料電子電導率、離子擴散系數、楊氏模量機能的影響台灣包養網。隨后總結了應對固態電池中電極和電解質界面掉效問題的多種計劃，包含黏結劑、緩沖層的應用、電極資料結構設計以及電極資料和電解質的粒徑婚配。此外，文章還強調了循環過程中施加相等且恒定的包養堆疊壓力對電池機能的潛在影響。本文旨在闡明固態電池中硅基資料與電解質界面掉效導致的電池容量衰減以及循環壽命降落的科學挑戰，并從硅基資料設計、電極資料制備、電極資料和電解質婚配等方面提出清楚決這些挑戰的戰略包養網，為該領域的進一個步驟發展指明了標的目的。
關鍵詞 硅基固態電池；界面掉效；應力錯配；堆疊壓力
隨著電動汽車及年夜型儲能設備市場的不斷擴年夜，對二次電池的能量密度、平安性和循環壽命提出了更高的請求。傳統電池應用的有機電解液在高溫下易燃，存在較年夜的平安隱患。固態電池(solid-state battery, SSB)采用不成燃的固態電解質(solid electroly包養甜心網te, SE)替換易燃的有機電解液，無望實現高能量密度和高平安性，被認為是最有潛力的下一代電池。
開發高能量密度固態電池的關鍵是制備高容包養量的電極資料，硅負極在室溫下具有3590 mAh/g的高理論容量(相對于Li3.75Si)，以及0.4 V(vs Li+/Li)的嵌鋰電位，同時，硅資料在合金化反應中鋰化動力學較快，硅負極在任務過程中不易構成鋰枝晶，從而增添了電池的平安性和穩定性，並且硅資料廣泛分布于全球，原料供應不受地區限制。是以，硅基資料成為全固態電池中極具遠景的負極資料之一。
硅基固態電池可以借鑒傳統硅基鋰離子電池的設計經驗，但包養網固態電池中存在一些與傳統鋰離子電池分歧的現象。在固態電池內部往往施加必定的壓力，壓力通過具有較高機械強度的固態電解質傳遞到硅基資料上，這種方法在必定水平下限制了硅基資料的體積膨脹率、增強了電極資料的結構穩定性，是以，在固態電池中硅負極表現出較少的顆粒粉化，在必定水平上緩解了合金資料開裂導致的電子通路掉效問題，從而無望實現更好的循環穩定性。但是，固態電解質的低流動性和低潤濕性增添了電極資料電解質界面掉效的風險。
本文重要從把持硅基資料的體積膨脹以及調控電極電解質界面角度來供給SSB機能優化戰略(圖1)。起首，從硅基資料的基礎性質出發討論了電極資料和電解質界面掉效的緣由；隨后，總結了關于硅基資料本征性質的最新研討，包含硅基資料的電子電導率、離子擴散系數、楊氏模量隨鋰化水平的變化；最后從黏結劑、電極結構設計、緩沖層、電極資料和電解質粒徑婚配方面介紹了緩解界面掉效的戰略，同時強調了相等且恒定的循環壓力對于固態電池機能測試的潛在影響。本文旨在為緩解硅基資料在固態電池中的界面掉效問題供給可行性計劃的參考，并為硅基固態電池的下一個步驟發展指明標的目的。
1 硅基負極的機理研討
由于固態電解質與液態電解液在潤濕性和流動性方面存在差異，電極資料與電解質之間天生的固體電解質界面(solid electrolyte interface, SEI)、界面接觸和離子傳輸過程等也有所分歧。同時，固態電池中硅基負極與電解質之間的機械穩定性的主要性也不成忽視。本部門回顧了近期國內外對于硅的晶體結構、臨界直徑以及電化學燒結性質的研一句話總結：科學需要嚴謹，但美麗……不那麼重要。討結果，從最基礎上探討硅基固態電池界面掉效的緣由，以及硅基資料在鋰化過程中的電子電導率、離子擴散系數、楊氏模量以及體積隨鋰含量變化的研討結果，可為解決硅基固態電池界面掉效問題供給理論基礎。
1.1 晶體結構與臨界直徑
根據資料晶體結構的差異，硅基資料可以分為兩年夜類：晶體硅(crystalline Si, c-Si)和無定形硅(amorphous Si, a-Si)。c-Si具備有序擺列的晶格結構和明顯的晶粒各向異性，比擬之下，a-Si內部由于存在大批懸垂鍵，導致Si原子偏離軌道，構成各向異性[圖2(a)、(b)]。此外，懸垂鍵的存在也使得a-Si合金化反應需求戰勝的勢壘降落，更包養甜心網有利于合金化反應的進行。由于晶體結構的分歧，c-Si和a-Si的鋰化過程表現出差異。在c-Si構成a-LixSi(x<3.75)的鋰化過程中，不同晶面上相邊界移動速度不同，導致膨脹速率不均勻，在膨脹速率較快的方向上產生應力集中，超出材料承受極限后可能導致結構破裂，相比之下，a-Si鋰化速度各向同性，使得應力釋放更均勻，避免了應力在某個方向上集中[圖2(c)]。這種應力釋放機制將a-Si的臨界直徑拓寬至870 nm，顯著大于c-Si的150 nm[圖2(d)、(e)]。同時，a-Si由于無晶粒取向和邊界，鋰化勢壘較低，鋰化過電位也更低，更有利于鋰化反應的進行。
1.2 電化學燒結
在鋰化和脫鋰化過包養感情程中，伴隨Si－Si鍵周期性的斷裂與重建，分歧Si顆粒之間通過化學鍵重整合并成更年夜的粒子，這一現象被稱為電化學燒結。本來緊密擺列具有孔隙的Si顆粒在屢次循環后通過電化學燒結轉化為結構致密的年夜顆粒塊，掉往了小體積優勢，增添結局部膨脹，導致其電化學機能降落，如圖2(f)所示。此外，在固態電池中，為了堅持循環過程中電極資料和電解質之間的緊密接觸，凡是施加較年夜的堆疊壓力(2～250 MPa)，高堆疊壓力使得活性資料之間的接觸加倍緊密，是以在相鄰的小顆粒之間通過Si－Si鍵連接構成年夜顆粒的難度下降，電化學燒結現象加倍明顯。
1.3 硅的鋰化性質
c-Si/a-Si在第一次脫鋰后都會轉變成a-Si。在Si負極鋰化過程中存在兩種類型的體積膨脹：一種是構成LixSi(x<3.75)導致體積增加，這種相變導致的體積膨脹與硅基材料容量的釋放密切相關。嚴格限制這種體積膨脹會減少鋰離子的儲存數量，降低電極材料的容量，因此有必要在體積膨脹和容量釋放之間尋找一個平衡。另一種是循環過程中缺陷積累導致的不可逆膨脹[圖3(a)]，這種不可逆膨包養脹與儲鋰的容量無關，但缺陷的包養網推薦積累會增加硅基材料破碎的風險。因此，控制這種不可逆的體積膨脹對于提升硅基材料的機械完整性和循環穩定性至關重要。
作為一種半導體資料，純硅的電導率為10-4 S/cm，在充放電過程中，其較低的電子電導率會在Si上構成較年夜的過電位，限制容量的釋放。為清楚決這一問題，過往人們凡是選擇添加碳或其他導電資料，制備成復合電極，以晉陞硅電極的電子電導率。但是添加的導電資料對容量的貢獻較低，下降了電池整體的能量密度，更蹩腳的是，添加的碳資料會導致硫化物電包養網解質的分化，不僅下降電池的庫侖效力，還會影響電池的循環穩定性。孟穎團隊比來的研討結果表白，Li自己也可以作為一種機能優良的硅導電劑。隨著Li含量的增添，LixSi的電子電導率從10-4 S/cm(Li0Si)增甜心寶貝包養網添到10 S/cm(Li2Si)[圖3(b)(c)]。Huo等采用恒電流間歇滴定技術測量了無SE的Si電極中Li的擴散系數，證實了LixSi的離子擴散系數隨著Li的增添也有相應改良[圖3(d)][DLi(Li0.188Si)=5.7×10-10 cm2/s，DLi(Li3.656Si)=6.9×10-8 cm2/s，均勻DLi為1.0×10-8 cm2/s]，通過InLi |LPSCl|Si/LPSCl和InLi|LPSCl|Si半電池在0.1 C下的循環曲線可以看到，隨著鋰化過程的進行，無SE的Si負極的過電位逐漸下降[圖3(e)]，這與Li的嵌進對離子、電子電導率的改良結果彼此印證。
有觀點認為硅在嵌鋰、脫鋰過程中從晶體到非晶結構相變惹起的部分機械應力是形成容量疾速衰減的重要原因。Iwasa等研討了納米晶體硅電極初次鋰化為Li0.6Si、Li1.08Si、Li2.06Si和Li3.75Si相的楊氏模量，發現當x≤0.包養375時，LixSi合金的楊氏模量與Li的含量呈線性關系，而在0.52<x<0.67范圍內，LixSi合金的楊氏模量堅持台灣包養網為恒量。Zeng等在室溫下應用原位高壓同步加快器X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)實驗測量了亞穩態多晶Li15Si4相的體積模量，發現晶體Li12Si7和Li7Si3的體積模量和Li與Si的比例表現出非線性行為。非原位表征結果遭到樣品轉移過程中的電壓松弛以及樣品不均勻性的干擾。近來，Putra等采用雙峰原子力顯微鏡，以楊氏模量為力學映射指標，測得了非晶Si薄膜電極在固態電池中初次嵌鋰和脫鋰過程中的實時描摹和模量變化。在鋰化初期(x=0～0.37)，Si薄膜電極的模量急劇降落，隨著LixSi中x繼續增添，楊氏模量緩慢降落[圖3(f)]；而在脫鋰過程中，LixSi電極的模量與x呈現近似線性關系[圖3(g)]。需求更多的測試手腕來直接獲取連續嵌鋰、脫鋰過程中LixSi中部分機械應力變化，尤其是兩相區域中的應力變化，這對于減輕硅基固態電池機械闌珊和電極毛病方面至關主要。
伴隨硅基資料的合金化相變過程，電極資料的體積、模量、電子電導率、Li+擴包養金額散系數也會發生相應的變化，電極資料性質的改變不成防止地影響了固態電池的機械穩定性、電化學機能和熱穩定性。是以，綜合考慮熱-力-電化學多物理場耦合效應，樹立真實工況下固態電池的物理化學模子對于懂得固態電池的界面掉效機制和推動其原始創新具有主要的意義。
2 緩解硅負極界面掉效的戰略
硫基電解質因其傑出的室溫電導率，成為固態電池中最有遠景的電解質。但是硫基電解質的化學穩定性差，和碳資料接觸易分化[圖4(a)]。電解質的分化導致電極、電解質界面的離子、電子傳輸阻抗增年夜；同時硅基電極在循環過程中經歷顯著的體積變化，導致電極與電解質界面產生孔隙進而引發接觸掉效[圖4(b)]，惹起電池容量衰減和循環穩定性降落。是以，減輕硅基電極的體積變化，同時確保固態電解質具有必定的彈性和化學穩定性，堅持電極資料和電解質之間的傑出應變婚配，可以顯著緩解甚至完整防止由硅基負極的機械行為惹起的界面問題。接下來將從五個維度來探討克制界面掉效的戰略包養網：黏結劑的功效、電極資料結構優化、電極資料和電解質的粒徑婚配、緩沖層的應用以及循環壓力的設置。采用分歧改性戰略的硅基固態電池的機能見表1。
表1 采用分歧戰略的硅基固態電池機能統計
2.1 黏結劑的功效
應用結實且有彈性的黏結劑將硅基資料、導電劑和固態電解質黏合起來，來增強電極與電解質之間的結合強度，這是緩解硅基負極界面掉效的一個實用計劃。
根據黏結劑應用條件，電極制備工藝可以分為濕法涂漿、干法壓片兩種。濕法涂漿工藝和傳統的鋰離子電池電極制備工藝兼容，將黏結劑消融在極性溶劑中，與電極資料混雜均勻后涂覆在集流體上，并烘干以除往溶劑。干法工藝則無須將黏結劑消融在極性溶劑中，而是依附黏結劑本身的纏結感化，將黏結劑與電極資料充足攪拌均勻后壓延成薄片，再將其壓在集流體上。硫化物電解質在高極性的溶液中易發生消融和晶格結構坍塌、導致離子電導率損掉。干法工藝中常用的聚四氟乙烯(PTFE)聚合物黏結劑，其最低未占據軌道較低，在低電位下不穩定，重要用作正極資料的黏結劑。今朝有研討將PTFE黏結劑應用在碳負極當中，但在硅基負極中的應用尚未有報道。包養管道同時，為晉陞聚合物黏結劑的離子、電子電導率而添加碳導電資料會催化硫化物電解質的分化，導致電池的阻抗增添。
為了減少硫基固態電解質與碳導電劑之間的副反應，研討人員對單一效能的黏結劑進行升級改革。Wang等制備了一種具有離子-電子雙導電效能的Ag@PAP黏結劑。將原位還原的銀納米顆粒摻進富含醚鍵的高強度聚合物中，為鋰離子和電子樹立了導電途徑。Si-Ag@PAP|Li6PS5Cl|Ni0.9Co0.075Mn0.025O2全固態電池在8 mA/cm2的電流密度下穩定循環2000次，容量保存率60.2%。這種復合效能黏結劑設計計劃不僅解決了固態電池中的電解質副反應形成的循環機能差的問題，同時顯著晉陞了倍任性能和循環穩定性，為固態電解質黏結劑的設計供給了新的思緒。
2.2 電極資料結構優化
微米級、薄膜型資料比擬于納米資料具有高振實密度、高面龐量、低本錢包養網單次的優點，同時由于比概況積的減少，增添了初次庫侖效力，是以微米電極和薄膜型電極成為固態電池硅基電極的熱門研討標的目的之一。Canga救助站門面狹窄又老舊，裡頭冷冷清清。服務台後面z等采用易擴展的PVD工藝制備了柱狀結構的硅薄膜電極[圖5(a)、(b)]，通過把持硅的體積膨脹標的目的，堅持了與電解質的界面接觸，與LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2正極組成的全電池，面龐量達到3.5 mAh/cm2。穩定循環100圈后容量堅持率為82%。在微米資料中進行多孔結構設計可以同時兼顧微米資料的高振實密度和多孔資料的低體積膨脹率優點。An等設計的微米級的蟻巢狀多孔硅負極[圖5(c)、(d)]，在5.1 mAh/cm2面龐量下以2100 mA/g的電流密度循環1000圈后，容量堅持1271 mAh/g，容量保存率高達90%，同時體積膨脹率把持在17.8%。Xu等應用鎂的摻雜，通過在微米級的SiOx顆粒中誘導O的偏析構成高密度的碳酸鎂以產生封閉的納米孔[圖5(e)、(f)]。這種閉合多孔的設計保證了電極資料與電解質的接觸面積，同時閉合孔結構將SiOx的體積膨脹率限制到22%，年夜年夜增強了電解質和電極資料界面的穩定性，以制備的閉孔SiOx為負極組成的11 Ah的軟包電池在循環700圈后容量保存率為80%。Yan等應用硅在循環過程中發生的電化學燒結過程，構成由可塑性變形的富鋰相(Li15Si4、LiC6)組成的3D離子-電子導電網絡，緩解了鋰化過程中的應力集中，改良了電極動力學和機械穩定性。應用制備的硅基負極、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正女大生包養俱樂部極、Li6PS5Cl電解質組成的固態電池表現出傑出的倍率才能和循環穩定性，在5.86 mAh/cm2的高負載下，1 C(5.86 mA/cm2)倍率可以穩定循環5000圈。
微米資料和薄膜資料比擬于納米資料具有凸起的本錢優勢，通過對Si薄膜資料進行圖案設計、微米資料進行結構設計可以將其體積膨脹率從400%把持到18%。結構設計計劃有用緩解硅基資料的機械掉效行為，這對于制備高穩定、低本錢、高能量密度的固態電池具有主要意義。
2.3 電極資料與電解質粒徑婚配優化
硅基資料和電解質顆粒的接觸概況是離子傳輸的獨一路徑，為了晉陞離子的傳輸速度，必須擴年夜電解質與電極資料的接觸面積，盡管這會增添電極和電解質界面的副反應。優化固體電解質與電極資料的粒徑比例對于選擇最佳接觸面積[圖6(a)、(b)]、最優離子、電子傳輸速度[圖6(c)、(d)]以及堅持電極資料內部電流均勻分布[圖6(e)]、下降界面副反應方面至關主要。Botros等發現較小的固體電解質顆粒可以增添離子電導率，進而進步倍任性能。Chang等分別比較了380 nm、5 μm、17 μm、30 μm粒徑的Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12電解質在Li金屬對電池中的電導率，發現電解質包養感情粒徑為17 μm時可以獲得最高的電導率，表白電解質粒徑對電池機能的影響存在一個最優值。Schlautmann等摸索了分歧粒徑Si顆粒和固體電解質的粒徑相容性，通過設計電極資料與電解質的顆粒來優化堆積密度，可以減少復合電極中的孔隙率，進而下降離子的傳輸距離，增添電極的有用離子電導率，晉陞電池的倍任性能。Kim等比較了0.51 μm和1.32 μm的Li10.35Ge1.35P1.65S12的電解質在In-Li對電池中的電極電解質界面演變情況，采用1.32 μm粒徑的電解質時，在循環5圈時，電極與電解質的界面處就產生了裂縫，而應用0.51 μm的電解質在循環到71圈時才在電極電解質界面處產生裂縫。證明下降電解質的粒徑對于克制充放電期間電極/電解質界面的機械降解的主要性不成忽視。
越來越多的研討數據表白，電極資料和電解質的粒徑鉅細，對于固態電池的離子電導率、離子傳輸路徑、界面結構穩定性具有不成忽視的影響。但是，今朝粒徑對于電池機能的影響還處于摸索階段，粒徑對電荷傳輸和電化學機能的感化機理仍需進一個步驟深刻研討。
2.4 緩沖層的應用
除了考慮SE自己的化學穩定性外，還需求考慮SE與Si基電極之間的電化學穩定性。例如，硫化物SE不僅本身的化學穩定性差，易與碳資料發生化學反應，並且在鋰離子遷移過程中會與Si發生多種電化學反應，電解質中發生的副反應不僅會下降庫侖效力，還會縮短電池的循環壽命。在硅基資料以及固體電解質概況外添加具有特定效能的涂層資料，是緩解因固態電解質滲透性差導致的離子傳輸阻力年夜和導電性損的一種較為實用的方式。有機資料因具有較高的電化學惰性與較好的延展性和柔韌性，凡是用作鋰金屬負極和無機SE之間的緩沖層。但是，有機資料的離子電導率較低，影響了固態電池整體的機能。今朝包養網，研討人員嘗試結合有機資料高彈性、高化學穩定性和無機資料高離子電導率的優點，制備復合聚合物-無機固態電解質。Zhang等將聚環氧乙烷(PEO)與雙氟磺酰亞胺鋰(LiTFSi)和Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12(LLZTO)納米顆粒均勻疏散在乙腈溶液，然后將溶液注進PVDF纖維網絡支架中，除往溶液后，獲得具有緩沖層的復合電解質(PPG)。將Si@MOF與PGG/LiFePO4集成正極組成扣式電池，PPG在60 ℃條件下會發生軟化，是以PPG與Si@MOF的接觸界面可以緊密結合并持續堅持，應用扣式電池內部壓力即可穩定運行，以0.5C的倍率循環500圈后容量堅持率達到73.1%。Han等采用微米硅、分解導電碳骨架、MgO制備的SE概況涂層，在電極和應力釋放層之間構成了電子傳輸通路，微米Si和固態電解質的原位反應，構成了富含LiF的SEI，具有較強電荷轉移動力學以及機械魯棒性，可以達到3224.6 mAh/g的高比容量和200次的長循環壽命。Liu等采用旋涂技術在Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP)概況涂覆一層石墨烯層，在電解質概況包覆涂層資料后，在0.1 mA/cm2的電流密度條件下循環200圈后，容量保存率為86.1%。Kim等采用靜電紡絲技術，將Si納米顆粒摻進到碳納米纖維中，在Si/CNF復合資料概況的保形涂層增強了活性資料與固體電解質之間的界面穩定性，從而克制接觸損耗來改良電化學機能。Si/CNF@LPSCl電極在0.1 C條件下可以供給1218 mAh/g的可逆比容量。
在電極與電解質之間添加一層緩沖層，既可以解決電解質的掉效分化問題，同時可以在緩沖層中添加特定效能的資料，來彌補電解質機能的缺乏，年夜年夜拓寬了固態電解質的應用范圍。
2.5 內部壓力的影響
固態電解質的流動性較差，加上硅基資料的體積變化較年夜，導致固態電池中的電極資料和電解質之間的固-固界面接觸難以堅持緊密。是以，在電池循環過程中施加適當的內部壓力能夠確保界面的穩定接觸，從而維持固態電池的機能。總體而言，過高或過低的內部壓力都會對電池機能產生影響，循環壓力則成為評包養網估固態電池商業化可行性的關鍵指標。過高的壓力(例如150～230 MPa)能有用限制硅的體積膨脹，確保電池在屢次循環中堅持穩定的界面接觸，但也犧牲硅的部門容量，同時引進加壓設備導致整體的能量密度下降。比擬之下，過低的壓力(例如3 MPa)無法維持電極資料和電解質在循環過程中的穩定接觸，導致硅負極容量敏捷衰減。今朝有兩種重要戰略來設計固態電池循環時所需的壓力：一種是確定維持穩定循環所需的最低循環壓力，在循環壓力和系統的能量密度之間獲得均衡；另一種是采用彈性電解質，應用電池內部的壓力來維持穩定的循環，防止內部壓力的施加。
由于循環過程中電極資料的體積變化，固態電池的循環壓力也在動態變化。傳統的由螺栓、螺母、壓力板組成的固態電池測試支架供給的循環壓力隨著循環進行而變化，使得電池處于非最佳循環壓力狀態，並且電極上施加的壓力分布不均勻，導致分歧部位的鋰化水平也有差異，使電極內部的應變差距拉年夜，加劇了界面掉效的風險。為此，Ham等在電池支架中參加了彈簧，來適應循環過程中體積的變化，為固態電池供給恒定的循環壓力[圖7(a)、(b)]，這種計劃將LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2|Li電池的循環壓力從2 MPa降到了0.5 MPa以下，將電池在40 ℃時的臨界電流密度晉陞了一倍。為了更精準地把持固態電池的循環壓力，Chen等開發了采用流體介質施加的相等且恒定循環壓力的固態電池支架，防止了固體彈性資料面臨的資料疲勞問題，在電極資料各處施加均勻相等的壓力[圖7(c)、(d)]，測得NCM811|LPSCl|Si的最小循環壓力為2 MPa，這種等靜態循環壓力裝置下的固態電池的容量比擬傳統加壓方法有明顯的晉陞[圖7(e)]，同時這種等靜壓方法為固態電池循環壓力效應的評估供給了一種統一、準確的方式。此外，Pan等設計了一種彈性電解質[圖7(f)]，μm-Si|彈性電解質|LFP組成的全電池，在無內部壓力條件下可以穩定循環150圈，而應用LPSCl固態電解質的電池在循環12圈后就發生了掉效，並且容量遠低于應用彈性電解質的計劃[圖7(g)]。通過無限元法模擬的μm-Si與LPSCl[圖7(h)Ⅰ]、彈性電解質[圖7(h)Ⅱ]中的應力分布與演變圖，可以觀察到，采用彈性電解質的電極內部壓力分布均勻包養，防止結局部應力集中導致的電極掉效問題。
以往的固態電池加壓方法不克不及在電池內部供給均勻的壓力分布，為了保證電池的循環機能，往往需求施加超過最低限值的循環壓力，把持固態電池在循環過程中的壓力變化，堅持電極內部壓力分布均勻，對于緩解界面掉效、固態電池的循環機能改良和容量晉陞有必定貢獻。
3 總結與瞻望
綜上所述，通過對電極的優化可以有用緩解固態電池的界面掉效問題，晉陞固態電池的循環壽命和能量密度。本文回顧了緩解固態電池界面掉效問題的幾種戰略，包含添加黏結劑、電極資料結構優化、電極資料和電解質的粒徑婚配、在電極資料和電解質之間添加緩沖層以及調控循環壓力。未來，要實現硅基固態電池的商業化，需求解決以下幾個關鍵問題：
（1）提醒電解質電極界面的演變和掉效機理。固態電池中電極、電解質之間的離子、電子交換方法尚不明確，電極界面的S包養網EI的天生、演變機制尚不清楚。需求結合熱-力-電化學多物理場耦合模子和先進的表征技術，進一個步驟提醒固態電池潛在的界面演變機制，從最基礎上減少界面掉效對固態電池循環機能的影響。
（2）晉陞純硅電極的面龐量。今朝受限于較年夜體積變化導致的容量敏捷闌珊，穩定循環的純硅薄膜電極的厚度依然是納米級，要想達到實用化的程度，硅基電極的面龐量要達到>4 mAh/cm2的程度，即純硅薄膜的厚度要能夠做到微米級。是以，晉陞穩定運行的純硅電極的面龐量對于高能量密度的硅基材固態電池的商業化進程至關主要。
（3）樹立電極資料、電解質粒徑婚配原則。通過猜測和經驗來設計電解質和電極資料的粒徑會經歷大批的試錯實驗，許多試錯實驗本錢昂揚且耗時長久，通過機器學習和年夜數據篩選，可以省往大批組裝電池和測試的時間，從而縮短確包養金額定電極資料和電解質粒徑的周期。
（4）維持循環過程中電極資料上壓力分布均勻性。電極資料上不均勻的壓力分布，導致分歧部位處的孔隙結構、界面接觸、離子傳輸路徑也有差異，這些差異導致分歧部位的容量釋放也不雷同，電極上實際壓力與所施加的內部壓力值不相等，導致評估壓力對電池機能的影響出現誤差。保證電極資料在循環過程中堅持雷同的壓力，既有利于固態電池中電極材容量的釋放，又便利研討人員用統一的標準來評價壓力對電池機能的影響，這對固態電池的發展具有主要推動感包養妹化。
Challenges and strategies for interface failures in silicon-based solid-state batteries
WANG Qin 1 ZHANG Yangang 1LIANG Junfei 1 WANG Hua 2
（1. School of Energy and Power Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, Shanxi, China；2. School of Chemistry, Beihang行李箱滑過藍色的地磚，留下兩道水痕。 University, Beijing 100191, China ）
Abstract: Silicon-based materials are among the most promising anode materials for solid-state batteries owing to their high specific capacity. However, interface failures between silicon-based electrode materials and solid-state electrolytes disrupt ion and electron transport pathways, leading to increased internal impedance, uneven current-density distribution, and eventual degradation of 包養網battery capacity and cycle life. This issue presents a major challenge in designing high-energy-density and long-cycle silicon-based solid-state batteries. First, we evaluate the reasons for interface failures between silicon-based materials and solid-state electrolytes, focusing on crystal structures, critical dimensions, and electrochemical sintering. We also discuss 包養網the impact小貓濕淋淋的，也不知在這裡困了多久，看起來奄奄 of lithium concentration on the electronic conductivity, ionic diffusio包養網n coefficient, and Young’s modulus of pure silicon materials. Furthermore, we summarize various strategies to address the interface failures, including the application of binders, buffer layers, electrode-material structure design, and particle-size matching between electrode materials and electrolytes. Additional包養網ly, we emphasize the potential influence of applying equal and constant stacking pressure on battery performance during the cycling process. This study aims 平時這個時候，她應該在上班，而不是拖著行李箱，to elucidate the scientific challenges associated with silicon-based material and electrolyte-interface failures in solid-state batteries, resulting in capacity decay and decreased cycle life. Further, this work proposes strategies to address these challenges considering silicon-based material design, electrode material preparation, and electrode-electrolyte matching, thereby guiding further包養網站 advancements in this field.
Keywords: Si-based solid-state battery；interface failure；mismatch strain；stack pressure
第一作者：王欽（1998—），男，碩士研討生，研討標的目的為合金型電極資料；
通訊作者：梁君飛，傳授，研討標的目的為新型二次電池；王華，傳授，研討標的目的為新型二次電池。
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