西安交大 宋江选团队IM综述：低压运行硅基全固态电池的机理、材料与制造

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Z. Zang, Y. Qin, B. Sun, C. Lin, X. Shen, J. Li, J. Liu, T. Zhao, Y. Di, X. Zhai, J. Sonng. Enabling Low-Stack-Pressure Silicon-Based All-Solid-State Batteries: Mechanisms, Materials and Manufacturing. Interdiscip. Mater. 2025; 5(4). doi: 10.1002/idm2.70068

摘 要

硅基全固态电池（Si-ASSBs）被认为是最具前景的下一代储能技术，兼具高能量密度与本征安全性。然而，目前硅基全固态电池通常需要依赖超过50 MPa的极高堆叠压力来维持固-固界面接触和电极结构完整性，这远远超出了规模化电池制造与运行所需的实际压力极限（≤ 2.0 MPa）。西安交通大学宋江选团队系统总结了近年来推动硅基全固态电池在低堆叠压力下运行的最新研究进展，并从四个核心维度展开讨论：电极设计、界面工程、结构优化及电池组装方法。本文从活性材料制备、电极微观结构调控到电池/模组层级构型等多个尺度视角，分析了实现硅基全固态电池低压运行的机制。本文进一步总结了近期旨在解耦电化学性能与外部分堆叠压力的潜在研究，这些研究可通过原位物化表征、人工智能或机器学习辅助优化、导电弹性体设计以及与硅负极匹配的卷对卷或冷压制造工艺来实现。通过将机理分析与可规模化工程方法相结合，本综述为低堆叠压力（≤ 2.0 MPa）下高性能硅基全固态电池的设计与实际应用提供了全面指导。

1. 引言

随着电动汽车、便携式电子设备和大规模储能技术的快速发展，开发兼具高能量密度和高安全性的新一代电池体系已成为能源材料领域的重要研究方向。硅负极因具有极高的理论比容量、资源丰富和环境友好等优势，被认为是提升电池能量密度的关键候选材料之一。与此同时，采用固态电解质替代传统易燃液态电解液，可有效降低电解液泄漏、燃烧以及热失控等安全风险，为实现高能量密度与高安全性的协同提升提供了重要路径。

在此背景下，硅基全固态电池受到了广泛关注。与全固态锂金属电池相比，硅基负极能够在一定程度上避免锂枝晶生长带来的短路风险，并具有元素储量丰富、成本潜力较低和环境兼容性较好等优势。然而，不同于传统液态电池体系，硅基全固态电池的运行高度依赖固体颗粒之间以及电极/电解质界面的紧密接触，因此外加堆叠压力成为影响其电化学性能的关键因素。当堆叠压力不足时，硅负极在充放电过程中产生的巨大体积变化容易导致界面脱离、电极开裂以及锂离子/电子传输通道中断，从而严重限制电池的倍率性能和循环寿命。

图1.（A）硅基锂离子电池、全固态锂金属电池和硅基全固态电池的对比。（B）硅基全固态电池中低压力的发展趋势。（C）面向工业化低压硅基全固态电池的未来愿景：软包电池构型。

目前，许多硅基全固态电池研究仍依赖较高外部堆叠压力来维持界面接触和电极结构稳定。然而，过高的堆叠压力会增加电池封装、模组设计和规模化制造难度，也不利于实际应用推广。尤其是对于无机固态电解质体系，维持稳定循环往往需要远高于商业电池封装可承受范围的压力条件。因此，如何在低堆叠压力甚至无外加压力条件下实现硅基全固态电池的长期稳定运行，已成为该领域亟待解决的核心科学与工程问题。

针对上述挑战，本文围绕“低堆叠压力硅基全固态电池”这一关键主题，系统总结了其失效机制、材料设计和制造策略方面的最新研究进展。文章重点讨论了堆叠压力对锂离子/电子传输、界面接触、内部应力分布和电极结构演化的影响，并进一步梳理了硅负极结构调控、复合电极构筑、界面工程以及制造工艺优化等提升低压运行稳定性的有效策略。该综述有助于深化对硅基全固态电池低压运行机制的理解，并为开发高能量密度、高安全性和可规模化制造的新一代全固态电池提供参考。

图2. 低堆叠压力条件下硅基全固态电池的失效机制及其对应调控策略示意图。

2. 材料设计

文章首先从材料设计角度出发，讨论了面向低堆叠压力全固态电池的硅基负极构筑策略。针对硅材料电子电导率低、锂离子扩散缓慢以及充放电过程中体积变化剧烈等问题，本文重点总结了复合硅材料设计、应力缓冲结构设计以及离子-电子传输与应力调控耦合设计等研究进展。通过构建硅/碳复合结构、引入弹性缓冲相、优化颗粒尺度和电极微结构等方式，可以在低压力条件下改善电极内部的离子和电子传输连续性，同时缓解硅体积膨胀带来的结构破坏，为提升硅基负极的循环稳定性提供材料基础。

图3.（A）硅基全固态电池中的应力诱导开裂及代表性调控策略。（B）微米级硅颗粒（>1.0 µm）和纳米级硅颗粒在锂化/脱锂过程中的SEM图像。（C）尺寸分别为0.2、0.4、0.6和0.8 μm的硅颗粒在锂化过程中裂纹尖端的J积分；当J积分超过断裂阻力Jc时，裂纹发生扩展。（D）HCl刻蚀后硅纤维（SiMg5.0）的SEM图像。（E）不同电极在1.0 A g−1下的倍率性能。（F）首圈循环过程中，Al-Si在颗粒尺度和电极尺度上的微结构与体积演化数字孪生模拟。（G）SP-MSi/C软包电池的充放电曲线。

3.界面工程

其次，文章围绕外部压力调控下的界面工程展开分析。硅基全固态电池中，硅负极与固态电解质之间的界面稳定性直接决定了电池的反应动力学和长期循环性能。低堆叠压力条件下，界面接触不足、界面副反应以及循环过程中的接触失效更为突出。针对这些问题，本文总结了通过界面化学隔离抑制不利副反应、通过界面接触优化维持界面完整性的代表性策略。例如，构建人工界面层、调节固态电解质与硅基负极的化学相容性、改善颗粒间接触状态等方法，有助于降低界面阻抗并减缓循环过程中的界面退化。

（A）循环过程中界面退化的示意图。（B）三种Si/LPSCl复合材料在0.1 C下的锂化特性（电压–容量曲线）。（C）不同Si/LPSCl复合材料在循环过程中的界面电阻。（D）电池在1 C（4200 mA g−1）下的放电-充电曲线。（E）无固态电解质硅负极和Si/LPSCl负极在0.1 C下的锂化曲线。（F）In/InLi|LPSCl|Si电池在50 MPa压力下、0.1 C倍率下的循环性能。（G）Si/LSPSC界面的明场TEM图像，以及μSi负极、界面反应层（IRL）和LSPSC电解质对应的选区电子衍射图谱（自上而下）。（H）通过对应全电池容量归一化后的应力变化。（I）SiNPs和SiNP@PANi的EIS谱经DRT转换后的结果。

4. 结构优化

另外，文章进一步讨论了通过结构优化来降低甚至替代外部压力依赖的研究思路。与单纯依靠外加堆叠压力维持固-固接触不同，合理的电极和组分结构设计能够在电池内部形成更稳定的自支撑接触网络。本文从固态电解质设计、多功能粘结剂开发以及集流体改性三个方面进行了总结。通过优化固态电解质的力学性能和界面适配性、设计兼具粘结性、离子传导性和应力缓冲能力的粘结剂，以及改性集流体以增强电极/集流体界面结合强度，可以有效提升低压条件下硅基负极的结构完整性和界面稳定性。

（A）粘结剂改性方案示意图。（B）NBR共聚物中各结构单元与溶剂（苯甲醚、甲苯和对二甲苯）之间的分子相容性。（C）两种具有不同氯取代基取向的DCH构象：反式和邻位交叉式。（D）采用不同粘结剂制备的固态电解质膜的180°剥离测试；固态电解质与粘结剂的质量比为97.5:2.5。（E）初始锂化/脱锂过程中电子电导率的演变；插图示意了硅电极的微结构演化。（F）Si-Ag@PAP负极在5.0 MPa外部压力和4.4 mA cm−2电流密度下的长期循环性能。

5. 电池组装与制造路径

最后，文章从电池组装与制造路径角度展望了高性能硅基全固态电池的实际应用前景。为了推动低压硅基全固态电池从实验室研究走向规模化制造，本文重点讨论了预锂化硅负极和压力高效封装设计两类关键策略。预锂化技术能够补偿初始不可逆容量损失、改善首圈库仑效率，并有助于提升低压条件下的电池性能；而合理的封装设计则可以在有限外部压力下维持电池堆叠结构稳定，尤其对软包电池等实用化构型具有重要意义。通过材料、界面、结构和制造工艺的协同优化，低堆叠压力硅基全固态电池有望向高能量密度、高安全性和工程可制造方向进一步发展。

图6.

（A）夹持于电池夹具中的柱塞式电池结构。（B）可变体积电池组件的示意图。（C）可变体积电池的电压曲线（上图）、堆叠压力曲线（中图）以及平均电池厚度变化（下图）。（D）多层软包电池的结构。（E）等静压电池夹具（IPCH）的示意图。（F）通过IPCH利用流体施加等静压。（G）尺寸为3.0 × 3.5 cm2的双层全固态软包电池（ASSPC）的容量保持率。（H）全涂覆电池nSi|LPSCl|NCM的制备流程示意图。（I）在1.0 MPa压力下循环的全涂覆电池（红色）与涂覆-压片电池（蓝色）的比容量和库仑效率随循环圈数的变化。两种体系均采用含80% NCM的正极，数据为两个电池的平均值。（J）双重浇铸工艺示意图以及软包电池在室温（25°C）和低堆叠压力（2.0 MPa）下的循环性能。

6.展望

展望未来，低堆叠压力硅基全固态电池的实用化仍需要在界面稳定性、结构完整性和电化学性能之间实现协同优化。一方面，先进原位表征技术的发展将有助于实时揭示硅颗粒体积变化、裂纹扩展、界面脱离以及局部应力演化等关键过程，为理解低压条件下的失效机制提供直接证据。另一方面，人工智能、机器学习和多物理场模拟的结合，有望进一步建立锂离子传输、应力分布和界面反应之间的定量关系，从而加速硅基负极结构设计和界面调控策略的优化。

在材料与结构设计方面，开发兼具导电性和弹性恢复能力的复合填料，是实现低压稳定运行的重要方向。这类材料可在硅负极充放电过程中动态填补体积变化产生的空隙，并提供温和、均匀的自支撑压力，从而维持电极/电解质界面接触以及离子和电子传输连续性。同时，固态电解质体系的选择也需要在低压适配性和电化学性能之间取得平衡：聚合物电解质更易适应低压界面接触，而无机电解质则在离子电导率和力学稳定性方面具有优势。

从产业化角度看，未来研究还需推动实验室工艺向大规模电池制造转化，包括发展适用于高面容量硅负极的电极制备方法，提升其与卷对卷涂布、冷压、层压和封装等工艺的兼容性，减少对高温、高压预处理设备的依赖。总体而言，低堆叠压力硅基全固态电池的发展需要机制研究、材料创新和电池工程制造的深度融合，最终实现兼具高能量密度、高安全性、可制造性和可靠性的实用化全固态电池。

图7.

低压硅基全固态电池的发展展望：原位表征、人工智能/机器学习、导电弹性体与规模化制造。

Author Biography

宋江选

西安交通大学教授，国家级青年人才，近年来主持了科技部、工信部、国家自然科学基金、陕西省重点研发计划/国际合作项目及企业资助的多个重大攻关项目。在高比特性电池（电极材料、粘合剂、电解质等）、水系有机液流电池（电解质、离子交换膜等）等研究领域取得一系列创新性成果，受到US DOE、Materials Views、Angew. Chem.-Int. Edit 等官方媒体重点报道。在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.-Int. Edit., Adv. Mater.、Nano Lett. 等权威期刊发表论文100余篇，累计他引10000余次，参编学术专著3部；申请专利50余件，授权30余项，含2项PCT专利。

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