相比于傳統(tǒng)納米硅負(fù)極，微米硅負(fù)極在材料成本、振實(shí)密度、電極制備工藝方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)，在光伏硅片切割過程中產(chǎn)生的光伏硅廢料具有成本低廉、來源廣泛及純度高等優(yōu)勢(shì)，可以作為微米硅負(fù)極材料的理想來源。由于微米級(jí)硅顆粒在鋰化過程中會(huì)產(chǎn)生近300%的體積膨脹，導(dǎo)致其極易破碎粉化進(jìn)而引發(fā)容量的急速衰減。傳統(tǒng)微米硅負(fù)極的改性方法主要集中于對(duì)其進(jìn)行碳包覆或引入高強(qiáng)度粘結(jié)劑，雖然此類改性方式取得了一定的效果，但距離商業(yè)化庫倫效率超過99.9%的要求還存有較大差距。

研究團(tuán)隊(duì)前期首次報(bào)道了固體電解質(zhì)界面相（SEI）中氫化鋰含量與分布對(duì)微米硅的粉化失活過程具有重要的影響（Angew. Chem. Int. Ed. 2024,e202406198，Adv. Mater. 2024,2405384），硅負(fù)極SEI中的氫化鋰會(huì)在硅脫鋰時(shí)反向鋰化硅，會(huì)導(dǎo)致微米硅發(fā)生更為嚴(yán)重的破碎粉化。與硅的電化學(xué)鋰化不同的是，氫化鋰對(duì)硅的局域鋰化是不均勻的，進(jìn)而誘發(fā)硅顆粒應(yīng)力分布不均勻，加速微米硅的粉化失活。因此設(shè)計(jì)低氫活性的電解液，降低氫化鋰的生成，并同時(shí)提升LiF/Li2O這類高效SEI組分含量，對(duì)抑制微米硅的粉化，提升微米硅的循環(huán)穩(wěn)定性能至關(guān)重要。

青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心在崔光磊研究員帶領(lǐng)下，通過對(duì)電解液進(jìn)行合理的優(yōu)化調(diào)控，成功地在微米硅表面構(gòu)筑了一層剛?cè)岵?jì)的SEI膜，首次實(shí)現(xiàn)了將光伏廢料中不同粒徑的微米硅顆粒應(yīng)用于鋰電池中。該研究成果以“Recycled micro-sized silicon anode for high-voltage lithium-ion batteries”為題發(fā)表于國際期刊Nature Sustainability上。

該研究的關(guān)鍵之處在于創(chuàng)新性的電解液設(shè)計(jì)，相比于其他常規(guī)的五元、六元環(huán)醚，具有間氧結(jié)構(gòu)的六元環(huán)醚1,3-二氧六環(huán)不僅可以與LiPF6鹽具有優(yōu)異的化學(xué)兼容性，同時(shí)在低電壓下還會(huì)通過路易斯酸（PF5）的誘導(dǎo)，在微米硅表面發(fā)生開環(huán)聚合，從而促進(jìn)了富含剛性LiF/Li2O的內(nèi)層及富含柔性聚合物的外層SEI形成。這種新型電解液不僅能夠使粉碎微米硅顆粒保持電化學(xué)活性，還可促進(jìn)鋰離子在SEI中均勻傳輸，防止局部應(yīng)力分布不均等問題。此外，由于PF6-陰離子具有相對(duì)較弱的溶劑化能力，即使在3M LiPF6濃度下，幾乎所有溶劑也都會(huì)加入到鋰離子的溶劑化殼層中，從而極大地提升了醚類溶劑的抗氧化性能。因此，采用了該電解液的光伏廢料微米硅顆粒（D50=6.14 m）在商業(yè)化面容量條件下經(jīng)過200圈循環(huán)后可實(shí)現(xiàn)83.13%的容量保持率，其平均庫倫效率高達(dá)99.94%。使用該新型電解液的NCM811|| m-Si軟包電池能夠?qū)崿F(xiàn)340.7 Wh kg-1的能量密度，并保持良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

文章第一作者為青島能源所劉濤副研究員，董甜甜博士后，通訊作者為崔光磊。該工作獲得了山東省科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、泰山學(xué)者計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41893-024-01393-9