相较于传统锂离子电池，全固态电池具有更好的安全性能

　　目前，全固态电池的研究正在如火如荼地进行。与传统锂离子电池相比，全固态电池具有更好的安全性能。为了获得高能量密度，使用高能量密度电极材料非常重要。金属锂和硅具有极高的比容量，是两种最有前途的阴极材料。然而，目前的研究大多集中在锂金属上，这主要是因为锂金属具有较低的还原电位(-3.04 V vs.she)和较高的室温比容量(3860 MAH g-1)。锂金属负极的使用伴随着锂枝晶的产生、界面不稳定和低临界电流密度。尽管已有大量工作报道了金属锂的稳定性保护，但是基于金属锂阳极的全固态电池的商业化仍然面临许多挑战。硅负极还具有超高比容量(3590mAh g-1)和高还原电位(约0.4V vs.Li+/Li)，可有效避免锂树枝晶的产生。更重要的是，硅储量丰富，成本低廉。它是一种理想的固态电池负极材料。然而，目前对固态电池负极的研究主要集中在锂金属上，对硅负极的应用前景严重低估。

　　[工作描述]

　　有鉴于此，东北大学朱宏利研究小组等系统评价了硅和锂金属阳极在基于硫化物电解质的全固态电池中的应用前景，报道了一种基于纳米硅的大规模复合阳极，并将其与湿化学法包覆的单晶nmc811正极材料相匹配，并采用超薄固体电解质膜，获得了超高能量密度的全固态电池。在电流密度为0.158和3.16 Ma cm-2时，分别获得了285和177 wh kg-1的能量密度。在C/3比下，电池可以稳定循环1000次。本文发表在国际顶级期刊《先进材料》上，曹达贤博士为第一作者。

　　图1。基于硅负极的全固态电池及适合工业化大规模生产的原理图

　　[内容描述]

　　硅的成本比金属锂低得多，对于硫化物电解液更稳定。在能量密度方面，使用硅负极可以获得与锂金属负极相当的能量密度。同时，与锂相比，硅具有更高的机械强度，不易变形，而锂金属在高压下容易穿透固体电解质。硅基固态电池不需要额外加热，而锂金属负极需要在更高的温度下工作以获得更高的临界电流密度。

　　图2：。从成本、能量密度、界面稳定性和固态电池的可加工性等方面对锂金属和硅阳极进行了综合比较。

　　通过简单的球磨方法，可以获得由纳米硅、导电碳和固体电解质组成的复合负极。与锂金属的有限接触面积相比，硅复合负极具有良好的电子和离子传导路径，可以有效降低局部电流密度。在半电池试验中，硅负极表现出良好的性能。在电流密度为0.1mA cm-2时，它可以获得2773 MAH g-1的容量。同时，它具有良好的码率性能。最大电流密度可达2macm-2，在0.5macm-2电流密度下可稳定循环200次。

　　图3。硅负极的制备及半电池性能。

　　负极循环后，纳米颗粒聚集形成的多孔结构消失，电极变得更加致密，并出现垂直于电极表面的裂纹。这种裂纹是硅负极材料在充放电过程中体积膨胀引起的。由于大多数裂纹沿纵向生长，因此对电极完整性的负面影响较小，并且电极层和电解液层之间没有剥离。

　　图4。电极循环前后的形态分析。

　　研究了电池中硅负极和锂金属负极的稳定性。首先是充放电过程中的阻抗研究。硅负极的阻抗在循环过程中先减小后增大，但总体变化不大。试验前，由于界面反应，锂金属负极的阻抗随时间逐渐增大，然后在对称电池试验中，由于电池逐渐短路，阻抗逐渐减小。XPS结果表明，硅负极中只有少量的电解质分解，显示出良好的稳定性。

　　图5：。硅负极和锂金属负极电池的稳定性研究。

　　阴极采用湿化学法制备的涂有硅酸锂的单晶nmc811。单晶NMC可以有效避免多晶NMC在循环过程中的结构损伤，实现更稳定的电池性能。硅酸锂涂层可以有效地避免NMC与硫化物电解质之间的界面不稳定性。同时，硅酸锂的成本低于应用最广泛的铌酸锂。在半电池中，阴极材料表现出良好的电化学性能。在C/20时，可逆容量为187 MAH g-1。在1C时，电流密度达到3.2 Ma cm-2。

　　图6：。硅酸锂涂层单晶nmc811阴极的半电池性能。

　　将硅负极与处理过的正极结合，同时采用50微米超薄固体电解质膜。整个电池表现出良好的电化学性能。当正极负载为10 mg cm-2时，在C/20、C/10、C/5、C/2和1C的放大倍数下，可获得184178163144和130 MAH g-1的可逆容量。当正极负载量为20 mg cm-2时，在C/20、C/10、C/5、C/2和1C的放大倍数下，可逆容量分别为167156140112和106 MAH g-1。在C/3比下，1000次循环和650次循环后均无短路，容量保持率高。