最新Nature子刊：含硅负极和嵌入型正极的高能锂离子电池的产业化

利用硅（Si）、硅基（Si-B）和硅衍生物（Si-D）负极与高容量/高电压嵌入型正极（IC）相结合的可充电锂基电池技术引起了广泛关注。这源于它们实际上可实现的能量密度，为电动汽车和可再生能源提供了新途径。然而，这种高能系统受到其复杂化学和内在缺点的限制。

图1. 多年来锂离子电池的发展概况

在此，德国卡尔斯鲁厄理工学院Stefano Passerini教授及亚琛工业大学Egbert Figgemeier等人对由Si/Si-B/Si-D负极与IC正极材料制成的可充电电池进行了深入剖析。

作者首先提供了对电极材料的详细分析，确立了电池级性能与原子/材料级属性之间的相关性，总结了Si/Si-B/Si-D||IC电池面临的挑战：为了将该技术商业化，Si/Si-B/Si-D负极会遭受非常大的体积变化，IC正极主要受其化学/电化学不稳定性（如阳离子置换、过渡金属离子的溶解、活性氧释放等）影响。

图2. 电池级性能与原子/材料级特性之间的相关性

在器件方面，作者指出产业化时应考虑各种标准以充分评估电池的性能，即能量效率、使用寿命（循环/日历寿命）、能量密度、倍率性能、稳定性、安全性和成本等，并以此为目标给出了缓解策略（包括库伦效率和能量效率方面、电解液设计、预锂化、聚合物粘结剂的设计、Si负极颗粒和合金工程等）。最后提出了当前电池发展的前景、对未来研究方向的洞察以及推进Si/Si-B/Si-D||IC电池发展的指导方针。

图3. Si/Si-B/Si-D||IC电池的挑战和解决方案

Production of high-energy Li-ion batteries comprising silicon-containing anodes and insertion-type cathodes, Nature Communications 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-25334-8

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