Adv. Sci.：设计锂硅合金负极，缓解硫化物基全固态电池的化学机械失效

全固态电池(ASSBs)由于其高能量密度、简单的制造和更好的安全性，是有希望取代传统锂离子电池的下一代储能设备。最近，研究人员解决了硫化物基ASSB的机械失效问题，这种故障源于枝晶生长和堆积压力控制的丧失，特别是在锂金属或锂合金负极上。

图1 电池结构示意

韩国昌原国立大学Hyung-Tae Lim等制备了两种复合合金负极（类型1：Li₃PS₄（LPS）玻璃+Li-Si合金，类型2：Li₃N+LiF+Li-Si合金）用于硫化物基全固态电池，并将它们在高截止电压条件下的化学机械稳定性与非复合合金负极进行了比较，其中LPS玻璃和硫复合材料被分别选作固态电解质和正极。

研究显示，1型和2型电池在高截止电压条件下（0.5-3.7V）可逆地运行，分别在355和230次循环中实现无电压噪声或容量衰减。由于LPS的氧化，在3.7V的充电后，正极极化电阻急剧增加；然而，LPS的氧化还原行为在放电-充电时是相当可逆的，这与使用非复合合金负极的电池不同。

图2 电化学性能对比

TOF-SIMS测试结果表明，复合负极通过为锂离子提供更多的途径实现了均匀的锂硅合金化，即使在正极中通过LPS氧化过度供应离子的情况下。这些结果意味着，只要在负极中避免非均匀合金化和锂枝晶生长，基于LPS的电池就可以在高截止电压条件下进行可逆循环。T1和T2电池的电化学性能和长期稳定性之间没有观察到显著的差异。在T1电池中观察到了还原产物Li₂S，但这可能是一个钝化层，以防止连续反应。

该研究揭示了当电池在电化学稳定窗口（ESW）以外循环时，合金负极结构在化学机械故障方面的重要性。其研究结果还表明，硫化物固态电解质的ESW需要针对每个实际应用进行重新评估。

图3 TOF-SIMS测试

Design Strategies of Li–Si Alloy Anode for Mitigating Chemo-Mechanical Degradation in Sulfide-Based All-Solid-State Batteries. Advanced Science 2023. DOI: 10.1002/advs.202301381

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