摘要：2025年1月25日，厦门大学陈松岩教授和王鸣生教授联合南京林业大学韩响副教授在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Silicon-based all-solid-state batteries operating free fro
硅（Si）基全固态电池具有高能量密度和安全性的优点，但是由于需要高外部压力，使其在应用方面面临显著的挑战。
2025年1月25日，厦门大学陈松岩教授和王鸣生教授联合南京林业大学韩响副教授在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Silicon-based all-solid-state batteries operating free from external pressure》的研究论文，Zhiyong Zhang、Xiuli Zhang、Yan Liu和Chaofei Lan为论文共同第一作者，陈松岩教授、王鸣生教授和韩响副教授为论文共同通讯作者。
陈松岩，厦门大学教授。1989年在吉林大学获学士学位，1992年在吉林大学获硕士学位，师从孟昭富教授，1995年在吉林大学获博士学位，师从刘式墉教授。1997-1998在莫斯科国立大学担任访问学者。
陈松岩教授的研究方向围绕Si基光电材料与器件，Si负极锂离子电池，以及全固态锂离子电池。
王鸣生，厦门大学教授，博士生导师。创建了厦大首个原位电镜实验室，现任福建省表界面工程与高性能材料重点实验室副主任。2001年在南京大学获学士学位，2006年在北京大学获博士学位，2006-2008年在北京大学从事博士后研究，2008-2012年在日本国立材料学研究所和美国麻省理工学院继续从事博士后研究。
王鸣生教授长期致力于利用原位电镜技术对碳基电子和能源材料进行“结构创建-过程观察-物性调控-器件表征”的一体化研究。
韩响，南京林业大学副教授。2012年在皖西学院获学士学位，2019年在厦门大学获博士学位，期间由厦门大学和美国华盛顿大学联合培养。
韩响副教授的研究围绕高比能锂离子电池关键材料设计与器件优化，高镍三元和富锂层状氧化物固态正极界面构建，新型快离子导固态电解质设计与可控制备，以及工业级微米多孔硅碳负极实用化技术。
在本文中，作者开发了一种基于Li21Si5/Si-Li21Si5双层负极且无需外部压力的全固态电池。
在冷压烧结Li21Si5合金的过程中，负极形成了一个具有混合的离子/电子导电性的顶层（Li21Si5层），以及一个包含三维（3D）连续的导电网络的底层（Si-Li21Si5层）。
由此产生的均匀电场在阳极|SSE界面消除了对高外部压力的需求，同时使负极界面锂离子通量增强了两倍。
该高效的离子/电子传输系统还促进了循环过程中Si颗粒均匀释放的膨胀应力，并稳定了负极的体相和界面结构。
因此，Li21Si5/Si-Li21Si5负极在45 ℃时展现出10 mA cm⁻²的临界电流密度，容量为10 mAh cm⁻²。
测试发现，Li21Si5/Si-Li21Si5|Li6PS5Cl|Li3InCl6|LCO电池在电流密度为0.25 mA cm-2下实现了高达97±0.7%的初始库仑效率，且面积容量为2.8 mAh cm-2，在2.5 mA cm-2下经过1000次循环后仅有14.5%的低膨胀率。
图1：三种不同的Si负极设计及其无压力Li21Si5/Si-Li21Si5-ASSBs的优势
图2：Li21Si5/Si-Li21Si5负极的结构表征与表面电位
图3：Li21Si5/Si-Li21Si5负极的离子/电子传输特性表征
图4：Li21Si5/Si-Li21Si5负极在循环过程中的结构演变
图5：Li21Si5/Si-Li21Si5-ASSBs的电化学性能
图6：Li21Si5/Si-Li21Si5-ASSBs界面演变
综上，作者开发了一个Li21Si5/Si-Li21Si5双层负极，用于无外部压力运行的ASBS。
Li21Si5粉末在600 MPa下冷压烧结，促进Li21Si5/Si-Li21Si5负极结构稳定，具有混合离子/电子导电层（Li21Si5层）和3D连续传导网络（Si-Li21Si5层中的Li21Si5网络）。
Li21Si5层能够均匀负极表面的电场，从而促进锂离子均匀和快速地传输到Si-Li21Si5的表面，避免渗透到SSE中。
充分的电接触将加速Li21Si5和Si颗粒之间的自放电行为，并避免Si颗粒在循环过程中发生应力集中，从而稳定负极的结构，使ASSBs在0.25 mA cm-2和45 ℃下达到97±0.7％的ICE，其中ICE的误差是根据最大值和最小值估算得到的。
该电池首次在2.8 mAh cm-2的放电容量下稳定循环，膨胀率低至14.5％，Li21Si5/Si-Li21Si5-ASSBs也以不同的速度实现了出色的性能。
此外，通过原位/非原位实验，作者发现Si负极的结构碎片在循环过程中直接破坏SSE和负极之间的界面电气接触，从而导致较大的极化电压，诱导了锂枝晶的生长。
Zhang, Z., Zhang, X., Liu, Y. et al. Silicon-based all-solid-state batteries operating free from external pressure. Nat. Commun., (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56366-z.
来源：华算科技
