全新固态电池同时使用固态电解质和全硅阳极，500次充放电后容量仍有80%

工程师们创造了一种新型的电池，将两个有前途的电池子领域编织成一个电池。该电池同时使用固态电解质和全硅阳极，使其成为硅全固态电池。最初的几轮测试表明，这种新电池是安全的、持久的、能量密集的。它为从电网存储到电动汽车的广泛应用带来了希望。

该电池技术在2021年9月24日的《科学》杂志上有描述。加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师领导了这项研究，与LG能源解决方案的研究人员合作。

硅阳极以其能量密度而闻名，它比当今商业锂离子电池中最常使用的石墨阳极高出10倍。另一方面，硅阳极因其在电池充电和放电时的膨胀和收缩，以及其在液体电解质中的降解而臭名昭著。这些挑战使全硅阳极被排除在商业锂离子电池之外，尽管其能量密度诱人。发表在《科学》杂志上的这项新工作为全硅阳极提供了一条有希望的发展道路，这要归功于正确的电解质。

论文的主要作者DarrenH.S.Tan说通过这种电池配置，我们正在为使用硅等合金阳极的固态电池开辟一个新的领域。他最近在加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院完成了他的化学工程博士学位，并共同创办了一家初创企业UNIGRID电池公司，该公司已获得这项技术的许可。

具有高能量密度的下一代固态电池一直依赖金属锂作为负极。但这对电池的充电率有限制，而且在充电过程中需要升高温度（通常是60摄氏度或更高）。硅阳极克服了这些限制，允许在室温和低温下有更快的充电速率，同时保持高能量密度。

该团队展示了一个实验室规模的全电池，在室温下可进行500次充电和放电循环，容量保持率为80%，这对硅阳极和固态电池界来说都是令人兴奋的进展。

硅作为阳极取代石墨

当然，硅阳极并不新鲜。几十年来，科学家和电池制造商一直期待着将硅作为一种能量密集的材料混入或完全取代锂离子电池的传统石墨阳极。理论上，硅的存储能力大约是石墨的10倍。然而，在实践中，将硅添加到阳极以增加能量密度的锂离子电池通常会遭受现实世界的性能问题：特别是，在保持性能的情况下，电池可以充电和放电的次数不够多。

这个问题大部分是由硅阳极和它们所搭配的液体电解质之间的相互作用造成的。充电和放电过程中，硅颗粒的大量体积膨胀使情况变得复杂。这导致随着时间的推移出现严重的容量损失。

"作为电池研究人员，解决系统中的根本问题至关重要。对于硅阳极，我们知道其中一个大问题是液体电解质界面不稳定，因此我们需要一种完全不同的方法。"加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授ShirleyMeng说，他是《科学》论文的通讯作者，也是加州大学圣地亚哥分校材料发现和设计研究所的主任。

事实上，加州大学圣地亚哥分校领导的团队采取了一种不同的方法：他们消除了全硅阳极的碳和粘合剂。此外，研究人员还使用了微硅，它比通常使用的纳米硅加工更少，价格更低。

一个全固态的解决方案

除了从阳极上去除所有的碳和粘合剂之外，该团队还去除液体电解质。相反，他们使用了一种基于硫化物的固体电解质。他们的实验表明，这种固体电解质在具有全硅阳极的电池中极其稳定。

孟教授说："这项新工作为硅阳极问题提供了一个有希望的解决方案，尽管还有更多的工作要做。我认为这个项目是对我们在加州大学圣地亚哥分校的电池研究方法的验证。我们将最严格的理论和实验工作与创造性和发散性思维相结合。我们也知道如何在追求艰难的基本挑战的同时与行业伙伴互动。"

过去使硅合金阳极商业化的努力主要集中在硅-石墨复合材料上，或将纳米结构的颗粒与聚合物粘合剂相结合。但它们仍然在为稳定性差而挣扎。

通过将液体电解质换成固体电解质，同时从硅阳极上去除碳和粘合剂，研究人员避免了一系列相关的挑战，这些挑战是在电池运作时阳极浸泡在有机液体电解质中而产生的。

同时，通过消除阳极中的碳，研究小组大大减少了与固体电解质的界面接触（和不必要的副反应），避免了通常发生在液体电解质中的持续容量损失。

这个两部分的举措使研究人员能够充分获得硅的低成本、高能量和环境友好特性的好处。

影响和附带商业化

"固态硅方法克服了传统电池的许多限制。它为我们提供了令人兴奋的机会，以满足市场对更高的体积能量、更低的成本和更安全的电池的需求，特别是用于电网能源存储。”论文的第一作者DarrenH.S.Tan说

硫化物基固体电解质通常被认为是非常不稳定的。然而，这是基于在液体电解质系统中使用的传统热力学解释，它没有考虑到固体电解质的卓越动力学稳定性。该团队看到了一个利用这一反直觉的特性来创造高度稳定的阳极的机会。

谭是一家初创公司UNIGRID电池的首席执行官和联合创始人，该公司已获得这些硅全固态电池的技术许可。

与此同时，相关的基础工作将在圣地亚哥大学继续进行，包括与LG能源解决方案的额外研究合作。

LG能源解决方案公司总裁兼首席采购官Myung-hwanKim说："LG能源解决方案很高兴与加州大学圣地亚哥分校合作的最新电池技术研究登上了《科学》杂志，这是一种有意义的认可，有了最新的发现，LG能源解决方案更接近于实现全固态电池技术，这将大大丰富我们的电池产品阵容。"

作为一家领先的电池制造商，LGES将继续努力培养最先进的技术，引领下一代电池单元的研究，LG能源解决方案公司表示，它计划进一步扩大与加州大学圣地亚哥分校的固态电池研究合作。