新型三维硅负极为全固态电池装上“呼吸阀”

来源：科技日报

科技日报记者 夏凡 通讯员 邵一鸣

记者2月1日获悉，宁波大学物理科学与技术学院教授陈王华团队联合宁波工程学院和宁波东方理工大学团队，在全固态锂电池负极材料领域取得重要进展。该研究通过模拟自然界的“呼吸”机制，首次研发出一种具有三维“透气”结构的硅纳米线负极，为开发硅负极全固态锂电池提供了新的技术路径。相关成果日前发表在国际能源材料期刊《能源存储材料》上。

全固态锂电池因更高的安全性、更强的能量密度以及更出色的循环性能，被科学界和产业界公认为下一代电池技术的“终极目标”。硅凭借超高的理论容量和良好的化学兼容性，被视为全固态电池中最具潜力的负极材料之一。然而，硅在充放电过程中巨大的体积膨胀会导致严重的机械应力、界面脱离及电化学性能快速衰减，这限制了其在大规模锂电池中的实际应用。

“如果把锂电池比作一个储能仓库，硅就是公认的‘超级搬运工’，它的储能潜力巨大，是传统商用石墨负极的10倍。然而，这位‘巨人’性格极度暴躁：在充电吸收锂离子时，硅的体积会剧烈膨胀3倍以上，随着充放电循环，硅会像不断吹大又缩小的气球，最终因‘体力不支’粉碎脱落，电池寿命也会随之‘猝死’。”陈王华介绍。

如何让硅在坚硬的固态环境下“自由呼吸”？科研团队利用等离子体增强化学气相沉积技术，创新性地设计并制备了一种电流集流体一体化的三维柱状硅架构，使其具备独特的“双相”核壳结构。研究结果显示，该柱状硅负极在电化学性能和实用性上均表现卓越。实验证明，该电池在弯折甚至剪刀裁剪的情况下仍能持续供电，展现出极高的机械鲁棒性和安全性。

“我们不再使用传统的‘硅粉’，而是让硅像森林里的树木一样，一根根‘立’在集流体上，并且相互交织形成三维网络。这些纳米线之间留有丰富的空隙，就像给电池内部安装了无数个‘呼吸阀’。”陈王华说，当锂离子涌入时，硅纳米线可以向这些预留的空隙处扩张，而不会挤坏周围的电解质。

据了解，该研究建立了一种通过架构设计统一离子传输动力学与机械完整性的新范式，为开发高能量、长寿命的全固态硅基锂电池提供了切实可行的技术路径。

（受访者供图）