Nature子刊：硅//高镍锂离子电池

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【研究背景】

当前锂离子电池在电动汽车、无人机、高端电子产品和分布式电源解决方案等领域的应用日益广泛，对电池性能的要求也越来越高。尤其是能量密度，已成为制约这些领域发展的关键瓶颈。传统的锂离子电池，采用LiCoO₂或LiFePO₄作为正极材料和石墨作为负极材料，其能量密度已接近理论极限，难以满足市场对更高能量密度电池的需求。为了突破这一限制，硅基负极与LiNi_xMn_yCo_1-x-yO₂（x ≥ 0.8）正极匹配的高能量密度电池面临多种挑战，如Li-Si合金的力学不稳定性、高电压循环导致正极坍塌以及高温下严重的漏电流。此外，过渡金属在正负极之间的交叉效应加剧了活性锂的消耗。

【研究简介】

近日，西北工业大学材料学院马越教授团队提出了采用凝胶聚合物电解质的策略，以增强硅负极的机械稳定性，并通过螯合过渡金属离子来稳定界面性能，以提高锂离子电池的利用率、应力分散和极端温度耐受性。相关工作以An in-situ polymerization strategy for gel polymer electrolyte Si||Ni-rich lithium-ion batteries为题，发表在Nature Communication上，第一作者是西北工业大学博士白苗。通过凝胶聚合物电解质封装与空间排列的硅负极和NMC811正极匹配，制备了2.7Ah的软包电池，其能量密度达到了325.9 Wh kg^-1，在2000次循环达到88.7%的容量保持率，并具有阻燃和宽泛的温度容耐受性。

图1 多尺度硅基||NMC全电池模型

图2 Si/C@C复合材料的制备

通过复合材料中Si NPs的静电排斥和空间排列，Si NPs在热解的CTP中均匀分散，高度石墨化的热解碳层充当机械外壳，抵抗体积膨胀，保护Si免受电解液的直接接触。

图3 PVCM-GPE的制备

研究结果表明原位聚合的PVCM-GPE平衡了离子导电性、Li⁺转移数、机械强度、与高电压正极的电化学稳定性以及阻燃性。

图4 Si/C@C|GPE|NMC811全电池CEI和SEI特征

VC单体的最高占据分子轨道（HOMO）能级高于EC和DEC，表明它们比溶剂物种更倾向于还原分解；同时，LiDFOB盐的最低未占据分子轨道（LUMO）较低，因此可以在正极表面被氧化，形成保护性的CEI层。采用XPS、ICP，TOF-SIMS等进一步对SEI和CEI，以及正负极表面进行表征，结果表明，聚合物电解质以及SEI和CEI显著抑制了NMC正极中TM溶解的交叉效应。

图5 Si/C@C-Gr|GPE|NMC全电池的电化学性能

【结论】

通过GPE原位聚合策略，组装了一个2.7 A h的软包全电池Si/C@C-Gr|GPE|NMC，在电极设计创新和界面稳定性的协同作用下，能够高效利用Li⁺，从而延长了电池模型的循环寿命和能量密度。该研究不仅阐明了能量密集型电池多尺度退化的机制，而且提出电极结构创新和原位聚合方法克服Si/C@C|NMC811模型中的关键安全问题, 具有潜在的科学价值和工程意义。

Bai, M., Tang, X., Zhang, M. et al. An in-situ polymerization strategy for gel polymer electrolyte Si||Ni-rich lithium-ion batteries. Nature Communication 15, 5375 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-49713-z