动态体积补偿：实现高性能 Ah 级全固态硅硫电池的关键突破

当前，含硅负极的锂离子电池因硅电极在循环过程中的体积波动，面临巨大内部应力及电池失效问题。研究人员开展了全固态硅硫（Si-S）电池应力中和设计研究，利用动态体积补偿策略，实现高比能、长循环稳定性等。这为高性能固态电池发展提供了新方向。

　　在如今这个科技飞速发展的时代，电子产品和电动汽车对电池性能的要求越来越高。锂离子电池作为重要的能量存储设备，其发展却受到诸多限制。其中，以硅（Si）为负极材料的锂离子电池，虽然硅有着地壳中第二丰富的天然储量，理论容量也极高，是极具潜力的负极材料 ，但它在充放电循环过程中会出现高达 300% 的体积膨胀和收缩。这种剧烈的体积变化就像一颗 “定时炸弹”，会在电池内部产生巨大的应力。在全固态锂离子电池（ASSLIBs）中，这一应力更是危害重重，它会破坏固态电解质的结构，让电极 - 电解质界面不再稳定，甚至还可能促使锂枝晶生成，最终导致电池失效。这就好比一座高楼，内部结构频繁遭受强烈冲击，根基逐渐不稳，整栋楼随时都有倒塌的风险。

面对这样的困境，为了推动电池技术的进步，来自南京航空航天大学、复旦大学、东南大学等多所国内高校的研究人员，踏上了探索的征程。他们聚焦于全固态硅硫（Si-S）电池，开展了一系列深入研究 。最终，他们成功设计出一种应力中和的 Si-S 全电池，并采用动态体积补偿策略，在高性能固态电池领域取得了重大突破。这一成果发表在《Nature Communications》上，为未来电池的发展指明了新方向。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们通过在电池中安装高精度力传感器，实现了对电极材料体积变化引起的内部应力的原位监测；借助高分辨率 X 射线微计算机断层扫描（micro-CT）技术，对电池内部进行 3D 微观结构分析，清晰观察电极在充放电过程中的体积变化情况；利用有限元建模软件 ABAQUS，对电池内部应力分布进行模拟分析；采用电化学阻抗谱（EIS）结合弛豫时间分布（DRT）技术，研究电池的反应动力学。这些技术手段相互配合，为研究提供了有力支撑。

下面来详细看看他们的研究结果。

1. 内部应力调节：研究人员组装了应力不平衡的 Li-Si 半电池和应力中和的 Si-S 全电池进行对比。原位压力监测发现，Si-S 全电池中硫正极的体积膨胀能动态缓冲硅负极在放电时的体积收缩应力 。通过有限元建模分析可知，半电池中电极体积变化无法有效补偿，会使电解质承受的压力迅速增加，而全电池设计能有效抵消单个电极的体积变化，实现应力自消除。这就像是一场精妙的力学平衡游戏，Si-S 全电池成功找到了平衡的 “密码”。
2. 动态体积补偿原理：借助原位 X 射线微 - CT 扫描，研究人员发现 Li-Si 半电池在充放电过程中电极体积变化大，会导致电极 - 电解质界面位移，产生大量内部应力 。而 Si-S 全电池的体积变化仅为 0.79%，正负电极的体积变化相互补偿，维持了应力平衡。从微观结构上看，Li-Si 系统存在体积适应不均和微裂纹，Si-S 系统则通过动态体积补偿策略减轻了这些问题，保证了电极的完整性。这就好比 Si-S 全电池拥有一套自我调节的 “稳定器”，让整个电池系统更加稳固。
3. 应力中和的 Si-S 全电池性能：增加硫负载后，Si-S 全电池的面容量大幅提升，比能量达到 525Wh/kg 。在不同电流密度下，电池都展现出良好的倍率性能，即使在高电流密度 25.12mA/cm2 下，电解质也未短路。长期循环测试中，电池在高电流密度 3.5mA/cm2 下，平均库仑效率保持在 100.01%，展现出优异的循环稳定性。这表明 Si-S 全电池在实际应用中具有很大的潜力。
4. 动力学过程分析：通过 EIS 和 DRT 分析，研究人员发现 Si-S 电池在不同荷电状态（SOC）下的阻抗谱与 Li-S 电池存在明显差异 。Si-S 电池在 100% SOC 时整体阻抗更低，界面稳定性更好，在放电过程中能保持稳定的扩散动力学。而 Li-S 电池则因锂金属负极的巨大体积变化，界面不稳定。这说明 Si-S 系统的动态体积补偿策略有助于提升电池的反应动力学性能。
5. 宽温度、电池组和大型原型（Ah 样品）性能：该电池在宽温度范围内都能保持较高的比放电容量 。采用串并联电池组设计，可提高输出电压，减少非活性材料成分。Ah 级大尺寸电池在高正极活性材料负载下，展现出低电压极化和高容量保持率。这为电池在实际应用中的多样化场景提供了有力支持。

研究结论和讨论部分表明，动态体积补偿策略在全固态 Si-S 全电池中实现了应力中和 。通过优化硅和硫电极的固有体积变化，解决了应力不均匀、电极完整性和界面稳定性等关键问题。该策略不仅推动了高性能硅硫电池的发展，还为下一代锂离子后储能技术的进步提供了创新思路和框架，具有重要的理论和实际应用价值。就像为电池技术的发展点亮了一盏明灯，指引着科研人员在这条充满挑战的道路上不断前行，探索更多的可能性。