【會議報告】硅基負極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計及其性能研究進展

硅負極具有3579mAh g^-1的高理論比容量，但在鋰化/去鋰化過程中巨大的體積變化（約300%）會導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)破壞，表現(xiàn)出低功率密度和較差的循環(huán)穩(wěn)定性。同時，硅電極表面上的SEI脆弱且不穩(wěn)定，無法承受巨大體積變化，在循環(huán)過程中會不斷破壞和重構(gòu)。納米化的硅雖然提高了離子傳輸性能，但較大比表面積和加劇的副反應(yīng)會消耗電解液，導(dǎo)致容量快速衰減。高溫下這些不良反應(yīng)會加速，尤其在大電流密度下容易發(fā)生析鋰，可能導(dǎo)致熱失控，帶來嚴(yán)重的安全風(fēng)險。

通過電解液調(diào)控和電極設(shè)計可實現(xiàn)特定組分/結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定SEI，但如何在電極與電解液間構(gòu)筑高效界面保護層仍是一個難題。

電極和電解液之間的相互作用引起了越來越多的關(guān)注。電解液添加劑可以提高電極的界面穩(wěn)定性，其氧化還原路徑具有多樣性，同時電極材料表面的差異性導(dǎo)致反應(yīng)活性與路徑不同。過渡金屬的特殊d軌道可催化電解液分解，通過調(diào)控官能團或引入雜原子可有效提升電化學(xué)活性。通過電極結(jié)構(gòu)與電解液的協(xié)同設(shè)計，可使目標(biāo)溶劑分子特異性吸附于電極表面的內(nèi)亥姆霍茲面，進而優(yōu)先分解形成特定組分的SEI。因此，亟需通過控制電極與電解質(zhì)界面之間的相互作用，從而構(gòu)建穩(wěn)定的SEI。

近期，上海大學(xué)施利毅教授團隊及復(fù)旦大學(xué)夏永姚教授團隊通過協(xié)同刻蝕和水解過程，在多孔硅表面原位構(gòu)筑了一層納米級超薄且均勻的氧化鋁-氧化鈦（ATO）催化界面。該富含缺陷的氧化物界面促進了氟乙烯碳酸酯（FEC）的選擇性吸附，并催化其轉(zhuǎn)化為LiF。由此產(chǎn)生的富含無機物的SEI層具有電化學(xué)穩(wěn)定性，有利于離子傳輸，尤其是在高倍率循環(huán)和高溫條件下。這種具有大比表面積的多孔硅（114 m² g_-1）被堅固的SEI層所保護，其初始庫侖效率高達84.7%，即使在25 A g^-1的高倍率下仍能保持692 mAh g^-1的可逆容量，并且在5 A g^-1下1000次循環(huán)中平均庫侖效率高達99.7%，同時在50℃，2 A g^-1下循環(huán)500次后的容量保持率達80.0%，顯著優(yōu)于同類型的硅負極材料。通過這種催化層構(gòu)建的穩(wěn)定SEI，為快充電池及高溫下硅基負極的發(fā)展提供了一種借鑒思路。

針對各類負極材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)與國內(nèi)外市場狀況，中國粉體網(wǎng)將于2025年6月24-25日在安徽·合肥舉辦第二屆硅基負極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇暨2025CVD硅碳負極材料前沿技術(shù)論壇。旨在為負極材料產(chǎn)業(yè)鏈上中下游企業(yè)搭建深度交流的平臺，開展產(chǎn)、學(xué)、研合作，助推負極材料行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。屆時，上海大學(xué)施利毅教授將作題為《硅基負極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計及其性能研究進展》的報告。報告將介紹施利毅教授課題組近期工作：

1、通過協(xié)同刻蝕和水解過程，在多孔硅表面原位構(gòu)筑納米級均勻氧化鋁-氧化鈦催化界面，促進了氟乙烯碳酸酯選擇性吸附，并催化其轉(zhuǎn)化為LiF。富含無機物SEI層具有電化學(xué)穩(wěn)定性，有利于離子傳輸，常溫及高溫條件下顯著優(yōu)于同類型硅負極材料。

2、通過多元雜化體系設(shè)計，提升離子與電子協(xié)同導(dǎo)電能力，有效抑制了充放電過程中硅體積膨脹，促進了硅基負極表面穩(wěn)定固態(tài)電解質(zhì)界面層形成，有利于延長電池循環(huán)壽命。

專家簡介：

施利毅，上海大學(xué)教授（二級），博士生導(dǎo)師，教育部材料復(fù)合及先進分散技術(shù)工程中心主任。主要研究方向為納米材料可控制備及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，多項成果在鋰電材料、先進制程集成電路、特高壓安全保護等領(lǐng)域轉(zhuǎn)化應(yīng)用。榮獲國家教育部、上海市、河南省等省部級科技獎勵一等獎、二等獎10余項。授權(quán)中國發(fā)明專利近300項、國際發(fā)明專利40項；發(fā)表學(xué)術(shù)論文600余篇，H指數(shù)103，2020-2024年入選全球高被引學(xué)者，并入選全球前0.05%頂尖學(xué)者名單。

信息來源：

上大呂盈盈&復(fù)旦夏永姚等：在多孔硅上催化誘導(dǎo)高穩(wěn)定性界面助力高倍率鋰離子電池.nanomicroletters

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