综述：基于硅/锡的硫化物电解质全固态锂离子电池负极

《Advanced Functional Materials》：Silicon/Tin-Based Anodes for All-Solid-State Lithium-Ion Batteries with Sulfide Electrolytes

本综述系统探讨了以高理论容量的硅/锡基材料作为负极，结合高导电性、优异机械性能的硫化物固体电解质(S-SEs)，应用于全固态锂离子电池(ASSLIBs)的研究进展。文章重点分析了不同电极构型、负极材料的结构设计与组分调控策略，并评估了全电池构建中阴极选择、薄层S-SEs设计及先进制造工艺等关键环节，为开发高能量密度ASSLIBs提供了重要见解。

　　

Abstract

探索替代负极以实现锂离子电池更高能量密度是学术界和工业界面临的关键挑战。硅/锡基负极因其极高的理论容量、广泛的工业可用性和环境友好性而成为有前途的候选材料。然而，硅/锡基负极的实际应用受到液态电解质锂离子电池中剧烈体积膨胀和结构坍塌导致的电池故障的阻碍。利用硫化物固体电解质(S-SEs)的全固态锂离子电池(ASSLIBs)为硅/锡基负极提供了广阔前景，这得益于S-SEs的高导电性和优异机械性能，以及ASSLIBs的全固态特性，这些特性有助于促进离子传输并极大限制体积变化，从而确保界面接触和长期稳定性。

引言：高能量密度电池的挑战与机遇

追求更高能量密度是锂离子电池发展的核心驱动力。硅(Si)和锡(Sn)基负极材料凭借其远超传统石墨的理论比容量（如硅可达4200 mAh g^-1），成为极具吸引力的选择。然而，在液态电解质体系中，这些材料在锂化/脱锂过程中会发生巨大的体积变化（硅可高达300%），导致活性物质粉化、固体电解质界面(SEI)膜反复破裂与再生，最终引起容量快速衰减和电池失效。全固态锂离子电池(ASSLIBs)采用不可燃的固体电解质，从根本上提升了安全性，并为解决硅/锡基负极的体积膨胀问题提供了新思路。其中，硫化物固体电解质(S-SEs)因其极高的离子电导率（部分可达10^-2 S cm^-1量级，接近液态电解质）和相对较好的机械延展性，被视为实现高性能ASSLIBs的关键材料之一。

硅/锡基负极与硫化物电解质的协同效应

将硅/锡基负极与S-SEs结合于ASSLIBs中，能产生独特的协同效应。S-SEs固有的刚性骨架可以对负极材料的体积膨胀施加机械约束，抑制其结构坍塌。同时，全固态体系避免了液态电解质持续的副反应，有利于形成稳定的界面。研究表明，通过合理的电极结构设计（如构建复合电极），可以有效缓解循环过程中的应力，改善离子和电子传输路径，从而显著提升电池的循环寿命和倍率性能。

电极配置与材料设计策略

为实现高性能的硅/锡基ASSLIBs，研究人员探索了多种电极配置和材料设计策略。在电极层面，主要分为两大类：混合电极（活性材料、固体电解质、导电剂均匀混合）和复合电极（活性材料与电解质形成特定的三维复合结构）。混合电极制备相对简单，而复合电极更能有效适应体积变化并维持良好的界面接触。在材料设计方面，核心策略包括：纳米化（减小离子扩散路径，缓解应力）、复合化（与碳材料、惰性金属等复合以增强导电性和结构稳定性）以及界面修饰（在活性材料表面包覆缓冲层或离子导电层以改善兼容性）。

全电池构建与未来展望

将高性能的硅/锡基负极成功集成到ASSLIBs全电池中，还需综合考虑阴极匹配、薄层且坚固的S-SEs隔膜制备以及先进的器件制造工艺（如热压、薄膜沉积技术）。高容量硫化物阴极（如Li₂S）或高电压氧化物阴极（如NCM）是潜在的选择，但需解决其与S-SEs的界面稳定性问题。尽管硅/锡基负极在ASSLIBs中展现出巨大潜力，但仍面临界面阻抗、长期循环下的机械稳定性、成本控制等挑战。未来的研究将更侧重于深入理解固-固界面反应机理、开发新型界面改性技术以及优化大规模制造工艺，最终推动高能量密度、高安全性ASSLIBs的商业化应用。