【摘要】 深度剖析硅基负极在全固态锂电池中的技术优势与挑战，解读体积膨胀控制、界面优化等关键技术突破，对比石墨/锂金属性能差异，揭示下一代高安全动力电池发展方向。

随着电动汽车与便携电子设备对高安全、高能量密度电池的需求激增，全固态锂电池（ASSB）正成为行业焦点。本文深度解析硅基负极材料在ASSB中的技术优势与挑战，对比石墨/锂金属阳极的性能差异，并揭示最新研究成果如何突破体积膨胀难题。

 

一、全固态电池技术革命下的阳极材料选择

作为当前锂离子电池（LIB）的升级方向，全固态电池凭借固态电解质（SSE）的安全优势和能量密度潜力，正在重塑储能技术格局。在阳极材料领域，传统石墨（372mAh/g理论容量）已接近性能天花板，而锂金属（3860mAh/g）虽具备超高容量却受制于枝晶生长风险。相比之下，硅基负极（3590mAh/g）凭借三大核心优势脱颖而出：

图1。(a) ASSBs 中硅阳极和锂金属阳极的综合评价。 (b) LIBs 中硅材料体积效应示意图。 (c)在 ASSBs 中硅阳极和电解质之间的稳定的 SEI

1.​安全性能突出：化学稳定性优于锂金属，兼容硫化物/氧化物等主流固态电解质

2.​制造成本优势：原料储量丰富，加工无需严格惰性气体保护（对比锂金属手套箱工艺）

3.机械性能卓越：杨氏模量达130GPa，可承受25MPa以上堆叠压力（锂金属临界压力仅1-5MPa）

 

二、硅基负极技术瓶颈与解决方案

2.1 体积膨胀引发的三重失效机制
  • ​材料层失效：300%体积变化引发颗粒粉碎（循环容量衰减主因）
  • ​电极层失效：膨胀收缩导致导电网络断裂（电接触失效率达35%）
  • ​界面层失效：SEI反复破裂加速锂损耗（首效损失最高达40%）
2.2 全固态体系的独特优化路径

2019年韩国KAIST团队首次验证：硫化物固态电解质可缓冲80%以上体积应力。2021年中科院团队更实现突破性进展：

  • ​无碳硅负极设计：2800mAh/g初始容量，500次循环保持率80%
  • ​界面反应抑制：固态电解质接触面积减少60%，CE效率＞99.9%

 

三、全球研发动态与技术路线图

国际权威期刊《Coatings》最新研究指出（DOI:10.3390/coatings14050608），硅基ASSB研发呈现三大趋势：

1.纳米结构化：150nm硅颗粒可使循环寿命提升3倍

2.复合电解质设计：聚合物-硫化物杂化体系提升界面稳定性

3.​预锂化技术：补偿首效损失至92%以上（当前商业水平85%）

 

参考文献：1.Zhao, X.; Rong, Y.; Duan, Y.; Wu, Y.; He, D.; Qi, X.; Wang, J. Development of Si-Based Anodes for All-Solid-State Li-Ion Batteries. Coatings 2024, 14, 608. https://doi.org/10.3390/coatings14050608.

 

科学指南针充分发挥互联网技术和业务优势，在国内率先打造出业界领先的线上化、数字化的科研服务基础设施，在行业内首创用户自主下单、服务全流程追踪、测试“云现场”等模式，进一步提高了大型科学仪器设施开放共享和使用效率，以实际行动助力科技创新。现已发展成为中国专业科研服务引领者，已获得检验检测机构资质认定证书（CMA）、实验动物使用许可证、“ISO三体系认证”等专业认证。

 

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。