相比于傳統(tǒng)納米硅負極，微米硅負極在材料成本、振實密度、電極制備工藝方面具有巨大的優(yōu)勢。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，可以作為微米硅負極材料的理想來源。由于微米級硅顆粒在鋰化過程中會產(chǎn)生近300%的體積膨脹，導(dǎo)致其極易破碎粉化進而引發(fā)容量的急速衰減。傳統(tǒng)微米硅負極的改性方法主要集中于對其進行碳包覆或引入高強度粘結(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。

研究團隊前期首次報道了固體電解質(zhì)界面相（SEI）中氫化鋰含量與分布對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），硅負極SEI中的氫化鋰會在硅脫鋰時反向鋰化硅，會導(dǎo)致微米硅發(fā)生更為嚴重的破碎粉化。與硅的電化學鋰化不同的是，氫化鋰對硅的局域鋰化是不均勻的，進而誘發(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)計低氫活性的電解液，降低氫化鋰的生成，并同時提升LiF/Li2O這類高效SEI組分含量，對抑制微米硅的粉化，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，通過對電解液進行合理的優(yōu)化調(diào)控，成功地在微米硅表面構(gòu)筑了一層剛?cè)岵腟EI膜，首次實現(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，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)異的化學兼容性，同時在低電壓下還會通過路易斯酸（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活性，還可促進鋰離子在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)后可實現(xiàn)83.13%的容量保持率，其平均庫倫效率高達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)新重點項目、國家自然科學基金項目、山東省自然科學基金項目、泰山學者計劃等項目的支持。

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