通过不可还原的固体电解质诱导的动态界面作用，使硅阳极的初始库仑效率接近100%

《Joule》：Toward near-100% initial Coulombic efficiency of Si anodes through irreducible solid electrolyte-induced dynamic interphases

硅负极初始库伦效率优化；不可再分解固态电解质；机械研磨工艺；动态纳米界面；高能量密度固态电池

　　

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荷兰代尔夫特理工大学应用科学学院，电化学储能与辐射科学技术系

摘要

硅（Si）阳极在全固态电池（ASSBs）中具有高能量密度，同时避免了锂金属枝晶的形成。然而，一个关键的限制是活性锂的初始损失，这体现在较低的初始库仑效率（ICE）上，其原因包括固体电解质（SE）的分解、锂的捕获以及天然氧化层的转化。在这里，我们报告了一种基于（电）化学引导的界面工程策略，利用不可还原的SE来构建一个动态的纳米级Si|SE界面，从而提高ICE。SE在Si阳极工作电位下的内在稳定性消除了分解现象，而机械化学混合则激活了界面反应，实现了原位预锂化。这种工程化的界面表现出高效的离子传输，并通过氧化还原反应补充锂储量，同时稳定了电化学性能。我们的方法在Si半电池中实现了接近100%的ICE记录值，在高负载的LiCoO?全电池中实现了超过95%的ICE，证明了精确的界面控制可以充分发挥Si阳极在高能量ASSBs中的潜力。

引言

由于其丰富的地球储量、低成本、高达3,579 mAh g?1的理论比容量（Li?.75Si）以及适中的电位（约0.3 V v. Li?/Li），硅（Si）被广泛认为是全固态电池（ASSBs）的有前景的高容量阳极。^{1, 2} 使用这种阳极可以使ASSBs在能量密度和内在安全性方面超越传统的锂离子电池。然而，Si（脱）锂化过程中约300%的体积变化会导致机械断裂、电接触丢失和容量迅速衰减。³ 尽管纳米或多孔Si结构可以承受这种应变，但会降低可提取的容量并增加生产成本。⁴ 最重要的是，这类设计的初始库仑效率（ICE）通常低于90%，⁴ 这会不可逆地消耗部分锂储量，成为实现实用的高能量密度Si基ASSBs的根本瓶颈。

ICE的定义如下：