近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所武建飞研究团队提出“玄武岩状多孔硅+Li₁₃Si₄”的“预锂化-堡垒”协同策略，在硅负极硫化物全固态电池性能提升方面取得重要进展。相关研究成果以“Prelithiation-Fortress” Strategy: Lithium–silicon alloy assisted porous silicon suppress volumetric expansion and long lifespan in all-solid-state batteries为题，发表于能源领域期刊《Journal of Energy Storage》上。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、山东省博士后科学基金、山东省自然科学基金、青岛市博士后科学基金以及青岛市科学技术局的支持。

研究团队通过“自上而下”的镁热还原-氮化-酸蚀工艺，构筑出比表面积达20m²·g^-1、孔体积为0.05 cm³·g^-1的三维互联BSPSi多孔硅基骨架，为硅充放电过程中的巨大体积变化提供弹性缓冲空间；随后引入合金Li₁₃Si₄作为预锂化“锂库”，在负极内部同时构建高速离子/电子双导通网络。

BSPSi+Li₁₃Si₄复合负极结构示意图

该设计使BSPSi+Li₁₃Si₄复合负极表现出高库伦效率、低膨胀率和长循环的优异的电化学性能。复合负极具有2267 mAh·g^-1的比容量，相比于原始BSPSi多孔硅负极，首圈库伦效率（ICE）从81.7%提升至95.97%。经过50圈循环后，复合负极的体积膨胀率仅有37.8%，远低于纯硅的300%膨胀率。在室温条件下，BSPSi+Li₁₃Si₄复合负极经过1000次循环后容量保持率仍达81.7%，相比之下原始BSPSi仅能够承受200次循环。

在硫化物全固态电池硅负极的研究领域中，本工作取得的核心性能指标超过了大多数此前报道的研究结果。

密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示，Li₁₃Si₄体相与表面的Li⁺迁移势垒远低于固态电解质Li₆PS₅Cl，为负极内部提供了额外的“高速离子通道”。原位EIS-DRT分析证实，复合负极的界面电荷转移阻抗和固态扩散阻抗均显著降低，实现了快速、可逆的锂化/脱锂过程。

密度泛函理论计算结果

理论计算的结果表明，“玄武岩状多孔硅+Li₁₃Si₄”的“预锂化-堡垒”协同策略可有效解决界面退化、不可逆锂消耗及机械不稳定问题，显著提高BSPSi+Li₁₃Si₄复合负极的电化学活性，为全固态电池领域高性能硅基负极的设计开发提供了新的思路。

据悉，武建飞带领团队自2016年开始布局硫化物全固态电池的研究工作。研究组自主开发了高性能硫化物固体电解质制备技术、电极包覆及连续涂布技术、超薄电解质膜制备及转印技术以及高性能软包电池制备技术等多项新技术，开发出具备优异倍率、循环和低温性能的全固态软包电池。5 C倍率放电容量保持率为63.7%；-20℃放电比容量为室温的81%（0.1 C）；率先突破全固态软包锂电池循环寿命差的技术难点，成功开发出长循环寿命的全固态软包锂电池，循环4000次，容量保持率为80%。

2024年1月，由武建飞研究团队完成的无机硫化物全固态电池关键技术开发项目，在青岛通过了由中国化工学会组织的成果鉴定。由中国科学院院士、南开大学副校长陈军等9位专家组成的鉴定委员会一致认为，该项目通过自主创新，技术成熟，研究成果达到国际先进水平，部分成果国际领先。

2024年4月，武建飞研究团队在硫化物电解质研究取得新进展，解决了硫化物全固态电池叠层工艺的行业痛点及瓶颈问题，打通了硫化物全固态电池的大型车载电池制作工艺的最后一道难关，在硫化物软包电池叠片技术上取得关键性突破。研究团队制备的多层叠片软包电池循环300次，容量几乎不衰减，性能还在继续测试中。

信息来源：中国科学院青岛生物能源与过程研究所、网络公开信息等

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