“应力透镜”电化学烧结构建离子传输网络，助力全固态硅碳负极稳定循环！祝贺徐天择、高卿栋等在Advanced Materials上发表最新成果！

祝贺徐天择、高卿栋等的论文“Stress-Lensed Electrochemical Sintering Enables Fast and Stable Lithium-Silicon Alloy Chemistry in All-Solid-State Batteries”在Advanced Materials上发表。

硅具有较高的理论比容量，是极具潜力的全固态电池负极材料，但其合金化过程中超过300%的体积变化会引发颗粒破裂、界面失接触和电极结构坍塌。在反复充放电过程中，相邻硅颗粒会发生“电化学烧结”逐渐融合，而无序、过度的烧结会产生大尺寸团聚体，加剧应力积累并导致电极开裂。目前主流策略主要通过包覆层进行“静态约束”，但这要么只能延迟过度烧结且阻碍传输，要么因强行刚性隔离导致颗粒间离子传输不畅。这证明静态电极设计从根本上难以驾驭硅在循环过程中的动态过程，如何将不可避免的动态演化由失效因素转化为结构构筑手段，是全固态硅负极设计中亟待解决的问题。

电化学烧结设计原则

针对这一矛盾，我们团队提出了从“静态限制”转向“动态引导”的概念，开发了一种“应力透镜诱导电化学烧结”（SLES）策略。我们利用多孔碳骨架中大量高曲率孔口结构作为几何引导，并将非晶硅均匀沉积于孔口处。在硅合金化膨胀过程中，高曲率孔口作为“应力透镜”聚焦硅膨胀产生的机械应力，从而降低硅原子重排和界面成键的能垒，精准引导颗粒接触位置发生选择性电化学烧结，构建出兼具高机械可靠性和快速锂离子传输能力的连续硅网络。

Si-SLES的设计原则及制备过程示意图

“应力透镜”引导的选择性电化学烧结界面杨氏模量高达49 GPa，同时也表现出更高的离子电导率。有限元模拟证实Si-SLES电极颗粒间应力差<0.5 GPa，远低于对照样的59.5 GPa。压溃测试表明烧结团聚体承受断裂力达15.7 mN，是对照样品的4.6倍。所制备的Si-SLES负极在全固态电池中实现100次循环容量零衰减，1C倍率下容量保持率>80%；与NCM532匹配的全电池在循环700次后仍保持60%以上的容量，显示出良好的长期稳定性和应用潜力。

本工作没有简单抑制硅负极的体积膨胀和电化学烧结，而是利用几何结构对其动态演化进行主动引导，将传统上被视为不利因素的膨胀应力转化为构建稳定界面和快速传输网络的驱动力，为全固态电池高容量负极的结构设计提供了新思路。该“几何引导动态演化”策略也有望拓展至锡基负极、锂金属负极等具有明显体积变化的电极体系。

天津大学化工学院徐天择和高卿栋为论文共同第一作者，天津大学杨全红教授、吴士超教授与清华大学深圳国际研究生院赵子云博士为共同通讯作者。

小记：这篇工作初期只是针对目前产业界比较关注的气相硅碳在固态电池中的应用验证，针对机理解释部分有很长一段时间没有头绪，文章思路也变了好几次。最终结合阅读文献、小组其他同学的相近工作，加上灵机一动，才确定了“电化学烧结”这一文章的大方向。而后续与孔口几何构型结合、应力透镜概念的提出更多的源于吴老师的指点，最终才形成了这篇文章。在这里衷心感谢杨老师、吴老师、子云师姐在文章构思、撰写上的悉心指导，感谢至微新能各位师兄师姐对推动本工作的全力支持。

而在实验过程中，我们所面临的最大的问题在于电化学烧结结构的表征。虽然采用了许多常规手段，但是这些表征更多的是侧面的印证烧结结构，想要真正对应实际与预想结构更需要一些更直观、更精细的表征手段。为了实现这个目标，吴老师带我们在学术会议上和精通相关表征的Brunner老师进行沟通交流，促成两个组之间的合作，获得了许多关键的数据。更希望未来在这种合作下，Nanoyang成果多多，一路长虹！

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.74090

DOI：10.1002/adma.74090

作者：徐天择 高卿栋

编辑：陈欣蓉

审核：张辰