Li–Si化合物阳极助力高性能全固态锂离子电池的开发

硅基负极材料在固态电池中的局限性及Li?.??Si解决方案。针对硅体积膨胀大、导电性差及电解质兼容性等问题，密度泛函理论筛选出Li?.??Si作为最佳候选体，兼具高离子/电子电导率、超稳定循环（体积变化<0.5%）和低堆压特性，全电池展现优异容量保持率（>90%容量 retention）和宽温域性能。

　　

背景与规模

作为全固态锂离子电池（ASSLIBs）的高容量阳极材料，硅（Si）因其高理论容量而具有极大的吸引力；然而，其实际应用受到严重体积变化、较差的离子和电子导电性以及与固体电解质不兼容性的限制。为了解决这些根本性问题，我们提出了一种创新方法，即使用Li–Si化合物，通过密度泛函理论计算确定Li₇Si₃（Li_2.33Si）为最佳候选材料。Li_2.33Si独特地结合了高离子和电子导电性、超稳定的循环性能以及几乎可忽略的体积变化，同时确保了与固体电解质的良好兼容性。采用Li_2.33Si的全电池表现出出色的面积容量、循环寿命、倍率性能、工作温度范围以及在低堆叠压力下的优良性能。这项工作为推进ASSLIBs的发展提供了一个变革性平台，并为Li化合物的更广泛应用铺平了道路。

亮点

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Li–Si化合物阳极解决了全固态锂离子电池中硅的局限性

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Li₇Si₃（Li_2.33Si）同时具有高离子和电子导电性

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具有几乎可忽略体积变化的锂存储机制，实现了超稳定的循环性能

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Li_2.33Si|LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂全电池表现出优异的性能

总结

硅（Si）是一种适用于全固态锂离子电池（ASSLIBs）的高容量阳极材料。然而，显著的体积变化、低离子/电子导电性、较差的固体电解质兼容性以及高堆叠压力要求限制了其实际应用。为了解决这些问题，我们提出了基于密度泛函理论预测的形成能选择的Li–Si化合物阳极。在各种Li–Si化合物中，Li₇Si₃（Li_2.33Si）具有最高的离子导电性和高电子导电性，使其成为理想的阳极材料。此外，其锂存储机制（Li_{2.33 + α}Si，0 < α < 0.92）实现了超稳定的循环性能且体积变化几乎可以忽略。Li_2.33Si|LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂全电池展现了高面积容量、长循环寿命、快速倍率性能、宽工作温度范围和低堆叠压力，证明了Li_2.33Si阳极满足高性能阳极的所有关键要求。因此，Li–Si化合物阳极将成为推进ASSLIBs技术的关键驱动力，这一概念也可广泛应用于其他基于锂的化合物。

图形摘要