原位构建锂硅合金保护层提升准固态电池稳定性的创新研究

为解决锂金属电池中枝晶生长和“死锂”积累导致的性能与安全问题，研究人员通过简单刮涂法制备了高界面兼容性的PVDF@PS准固态电解质。该设计利用高纯度硅原位形成锂硅合金（Lix Si）保护层，结合Li4 SiO4 钝化层和柔性Li-PAA结构，显著降低锂成核过电位（20?mV），并实现1300次循环后80.3?mAh?g?1 的容量保持率（5C倍率）。该研究为高稳定性锂金属电池提供了新策略。

　　

锂金属电池因其3860?mAh?g^?1
的理论容量和?3.04?V（vs. SHE）的低氧化还原电位，被视为下一代储能系统的理想选择。然而，液态电解质中锂枝晶的不可控生长和循环过程中的体积变化，导致电池性能衰减和安全风险。传统界面保护层在液态体系中易被副反应破坏，而纯固态电解质又面临界面接触差的难题。如何平衡高能量密度与安全性，成为该领域的关键挑战。

为解决这一难题，来自苏州纳米科技协同创新中心的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表了一项创新研究。他们通过简单直接的刮涂法，将纳米硅粉、聚丙烯酸（PAA）和乙炔黑复合涂层应用于聚偏氟乙烯（PVDF）基底，构建了PVDF@PS准固态电解质体系。在电池封装的原位压力作用下，硅粉与锂反应生成锂硅合金（Li_x
Si），同步形成Li₄
SiO₄
钝化层，同时PAA转化为柔性Li-PAA结构。这种三重复合保护层兼具机械强度和离子扩散能力，实现了锂金属阳极的稳定循环。

研究团队采用X射线衍射（XRD）确认了硅单体的高纯度，通过电化学测试验证了界面性能。在锂对称电池中，PVDF@PS表现出20?mV的超低过电位，远优于未修饰的PVDF电解质。其核心创新在于：Li_x
Si合金降低锂成核势垒（0.30?V vs. Li⁺
/Li），Li₄
SiO₄
层防止枝晶穿透，而Li-PAA则缓冲体积变化。三者协同作用使磷酸铁锂（LiFePO₄
, LFP）全电池在5C倍率下循环1300次后，仍保持80.3?mAh?g^?1
的容量，且无短路风险。

材料与方法
研究采用刮涂法将纳米硅粉（500?nm）、PAA（Mw=150000）和乙炔黑涂覆于PVDF膜，通过电池封装压力触发原位反应。表征手段包括XRD分析晶体结构、电化学阻抗谱（EIS）测试界面阻抗，对称电池和LFP全电池评估电化学性能。

结果与讨论

1. 材料表征：XRD证实硅粉为单质态，涂层后形成Li_x
   Si和Li₄
   SiO₄
   特征峰；
2. 电化学性能：PVDF@PS的锂沉积过电位降低76%，界面电阻下降83%；
3. 机理分析：Li_x
   Si引导均匀锂沉积，Li₄
   SiO₄
   隔离电解质副反应，Li-PAA缓解体积应变；
4. 长循环测试：5C倍率下容量衰减率仅0.015%/次，优于液态电解质体系。

结论与意义
该研究通过原位构建多功能合金保护层，解决了准固态电池中界面稳定性的核心问题。其创新性体现在：① 将硅的锂亲和性与聚合物柔性相结合；② 利用封装压力实现无需额外能耗的原位反应；③ 兼顾离子传导（Li_x
Si）与电子绝缘（Li₄
SiO₄
）特性。这不仅为高能量密度电池设计提供了新思路，其简易的刮涂工艺更具备规模化生产潜力，对推动锂金属电池商业化具有重要价值。