我国科学家提出时空耦合硫化学新策略
我国科学家提出时空耦合硫化学新策略
松山湖材料实验室/中国科学院物理研究所研究员黄学杰团队与华中科技大学教授张恒团队合作，提出了一种基于时空耦合硫化学（SSC）的非传统方法，成功解决了高硅含量负极材料界面稳定性这一行业难题。相关成果近日发表于《自然-通讯》。
时空耦合硫化学的设计概念图。a) 硅负极在能源供应方面的历史演变；b) 时空耦合硫化学在硅负极表面的作用机制示意图；c) 三代电池技术的全面比较。研究团队供图
锂离子电池在信息终端、电动汽车和清洁电力等大行业中发挥着重要支撑作用。当前，低空电动飞行器（如电动垂直起降飞行器eVTOL）和人形机器人等新兴产业的快速发展，对电池的能量密度提出了更高要求——需同时具备超过1000 Wh/L的体积能量密度和高于400 Wh/kg的质量比能量。硅基材料被公认为下一代高能量锂离子电池的负极材料，高比容量负极材料已从硅-碳复合材料转向高硅含量（Si > 90 wt%，即Si90+）材料。高镍层状氧化物正极（NCM90）与高容量Si90+负极的组合，被认为是一种突破现有电池技术的有效方案。然而，如何在该类负极材料表面形成稳定且能适应硅体积膨胀的界面层，以保障电池长循环寿命，是行业公认的难题。
针对这一挑战，研究团队提出了一种非传统策略：将界面调控剂预先嵌入Si90+负极中，并在后续电化学过程中释放，从而在由纳米级Si90+负极与高镍正极组成的电池体系中构建出稳定的界面电位层。具体而言，团队在硅表面引入非晶碳和硫的双层包覆，预先植入的硫层在负极腔室的受限区域中发生电化学还原，生成多硫化物中间体，随即引发电解质溶剂（如氟乙烯碳酸酯和乙烯碳酸酯）的聚合反应，最终形成一种具有弹性且可离子渗透的固态电解质界面（SEI）层，能够充分覆盖Si90+负极表面。
基于该策略，7.3 Ah NCM90||Si90+软包电池实现了优异的综合性能：质量比能量达400 Wh kg -1 ，体积比能量达1190 Wh L -1 ，循环寿命达1700次（容量保持率80%）。研究团队通过扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束（FIB）、扫描透射电子显微镜（STEM）、三维等离子体聚焦离子束（3D PFIB）和原位拉曼光谱等多种表征手段证实，基于SSC的硅负极在100次循环后的电极膨胀率仅为9.4%，而参比硅负极的电极膨胀率高达近300%。3D PFIB显示，SSC-Si90+在多次循环后仍保持完整的SEI膜和电极结构；原位拉曼光谱则表明，SSC层有效缓解了Si90+负极在初始过程中的应力蔓延。
与目前主流的车用动力电池相比，基于SSC的技术并未带来过高的材料成本负担。数据显示，LiFePO 4 ||石墨体系的材料成本约为19.6欧元/kWh，NCM622||石墨约为27.8欧元/kWh，而NCM90||SSC-Si90+约为29.1欧元/kWh。此外，生产硅基负极材料的用电量远低于传统石墨生产——每生产1 kWh硅基电池仅消耗约0.91 kWh电能，而石墨基电池则需消耗9.27 kWh。
该论文第一作者、中国科学院东莞材料科学与技术研究所/松山湖材料实验室副研究员田孟羽表示，基于此，锂离子电池团队已研发出新一代超高能量密度硅基负极电池。在相同电池组重量的前提下，NCM90||SSC-Si90+在电池组容量、体积、单次充电续航里程及总续航里程方面均展现出全面优势。该技术有望加速高能量锂离子电池在电动汽车及新兴低空经济领域的应用。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-026-76591-4