AM重磅成果！天津大学杨全红教授团队提出「应力透镜」策略，变硅负极膨胀应力为优势，固态电池700圈循环长效稳定

01导语

硅是全固态电池极具潜力的高容量负极材料，但嵌脱锂过程中300%超大体积膨胀，会直接引发颗粒粉碎、固固界面断开、电极整体坍塌。近日，天津大学纳米碳与电化学储能实验室徐天择、高卿栋为共同一作，杨全红教授、吴士超教授、清华深圳国际研究生院赵子云博士为共同通讯的原创工作发表于顶刊《Advanced Materials》，创新性提出应力透镜诱导电化学烧结（SLES）全新策略，依靠多孔碳高曲率孔口几何定向汇聚膨胀应力，精准实现颗粒间选择性可控烧结，同步实现机械稳定骨架与高速锂离子传输网络，半电池百圈容量近乎零衰减，匹配NCM532正极的实用全电池稳定循环700周。

02工作要点

如图1为四类硅负极设计范式，对比静态约束与动态应力引导方案的优劣。第一象限为本研究应力透镜选择性烧结结构，多孔碳孔口充当应力透镜，诱导颗粒间定向烧结，兼具机械稳定与快速锂离子传导；第二象限为非电化学烧结结构，碳层隔离硅颗粒缓冲膨胀，但碳层离子传导差、应力分布不均；第三象限为碳包覆延缓过度烧结结构，仅短期抑制烧结，循环后碳层破裂、颗粒团聚堵塞离子通道；第四象限为纯硅无控烧结结构，无约束下硅大幅团聚，应变加剧造成电极碎裂，长程导电通路完全失效，直观点明传统方案无法兼顾稳定性与动力学，凸显本策略的创新性。

图1

图2为应力透镜结构的合成路线与多尺度表征结果。合成示意图对比Si-SLES与Si-NES制备差异，前者硅沉积于碳孔入口形成应力汇聚位点，后者碳完全包覆颗粒表面隔绝应力；球差校正STEM与配套硅、碳元素EDS映射验证两种样品硅分布均匀，但Si-NES存在连续外层膜；氮气吸附脱附等温线、孔径分布证明原始多孔碳具备大量微孔与瓶型孔道，硅沉积后孔口收缩形成高曲率透镜结构，外层碳包覆样品微孔几乎完全封闭；小角X射线散射结果证实两种样品内部均保留充足空腔用于缓冲硅体积膨胀，完整验证应力透镜几何结构成功构建。

图2

图3阐释了应力透镜效应与选择性电化学烧结。有限元仿真展示嵌锂状态下SLES孔口区域出现应力集中，驱动硅-硅键重排形成烧结连接；AFM力-距离曲线显示循环后SLES界面塑性变形更低、模量更高，模量映射直观体现其界面力学性能均匀连续；循环前后电极截面FESEM与EDS映射对比，原始状态两种样品孔隙结构相近，单次循环后SLES颗粒相互熔合、裂纹极少，Si-NES颗粒边界清晰且开裂严重；FIB断层三维重构渲染硅碳两相，可见SLES形成三维贯通导电网络，对照组颗粒彼此孤立，直接证明应力透镜可精准诱导局部可控烧结。

图3

图4揭示了SLES烧结界面兼具高机械可靠性与低离子传输阻力。不同嵌锂状态下颗粒应力分布仿真显示，SLES电极颗粒应力均匀、差值极小，Si-NES因碳层阻碍锂离子扩散产生巨大应力差；颗粒压痕测试对比两种材料抗断裂能力，SLES烧结团聚体可承受更大载荷才发生颗粒断裂，碳包覆对照组易出现碳膜破损与颗粒碎裂；KPFM界面电势成像证明SLES颗粒边界无电势突变，界面电阻极低；GITT充放电测试、直流极化、EIS及弛豫时间分布数据共同证实，SLES电极锂离子扩散系数、固态离子导电性显著优于Si-NES，循环过程阻抗稳定无明显增长。

图4

图5展示了SLES硅负极的电化学综合性能。半电池循环曲线显示SLES负极100次循环容量保持接近100%，Si-NES仅剩余20.6%容量，液态电解液中二者性能反转，证明SLES策略仅适用于全固态电池；充放电dQ/dV等高线图体现SLES极化随循环几乎无增长，对照组极化持续加剧；倍率性能测试表明1mAcm⁻²电流下SLES容量留存81%，高电流下仍保有半数以上容量，对照组高倍率下无有效容量输出；与已报道硅基固态电池对比，本工作同步实现优异循环稳定性与倍率性能；NCM53正极匹配的全电池可稳定循环700圈，容量维持60%以上，验证该材料实际应用潜力。

图5

03结论

本研究证实传统被视作有害副反应的硅电化学烧结，可通过精准微观结构几何设计实现空间与能量层面的定向调控；所提出的应力透镜电化学烧结策略从根本上解决高性能全固态电池硅负极力学稳定性与离子输运动力学难以兼顾的矛盾，带有高曲率孔道入口的多孔碳载体充当应力透镜，将循环应力选择性汇聚在颗粒接触区域，可控构筑连续、机械耐久、离子传导快速的硅网络；该硅负极实现100次循环近100%容量保持，1C倍率下容量留存超80%；全电池体系中循环700圈仍保有60%；这种依靠几何结构调控电极动态演化的设计思路具备通用性，可为固态电池中锡、金属锂等其他高容量负极的稳定化改性提供普适技术方案，是开发高性能全固态电池的有效路径。

04文章原文链接

h t t p s : //advanced.onlinelibrary.wiley. c o m /doi/10.1002/adma.74090

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