具有预锂化硅基负极的全固态锂硫电池中的交变应力演变及其缓冲效应

《Advanced Functional Materials》：The Alternating Stress Evolution and Buffering Effects in All-Solid-State Lithium–Sulfur Battery with Pre-Lithiated Silicon-Based Anode

硫化物基全固态锂硫电池采用预锂化硅基负极，通过原位压力检测技术揭示交替应力主导模式及应力缓冲机制，源于Li21Si5中间相的相变动力学，有限元模型与微观结构分析表明该机制有效抑制电解液裂纹和界面退化，实现4.5mg cm?2高负载量下0.5C稳定放电，优于传统固态电池。

　　

摘要

基于硫化物的全固态锂硫电池（ASSLSBs）由于其高理论能量密度和增强的安全性，在下一代储能技术中具有巨大潜力。然而，由于电极体积变化大以及机械应力作用，导致的电解质裂纹和界面损伤等疲劳问题仍然是关键挑战。本文首先分析了使用预锂化硅基阳极与传统锂金属的ASSLSBs中应力演变的不同情况，采用了原位压力检测技术。值得注意的是，预锂化硅基系统表现出交替应力主导模式，通过应力抵消效应有效稳定了机械响应。此外，研究表明，预锂化硅的应力缓冲效应源于锂化过程中中间相Li₂₁Si₅的相变动力学。通过有限元建模和微观结构形态分析，将相变动力学直接与机械应力调制联系起来。这一独特特性在抑制电解质内部裂纹扩展的同时，保持了电极/电解质界面的稳定性。因此，使用预锂化硅基材料的全电池在0.5C（约3.6 mA cm^?2）电流下实现了高S负载（4.5 mg cm^?2）下的稳定循环性能，优于传统的固态锂硫电池。所发现的化学-机械耦合原理为开发高稳定性的ASSLSBs提供了新的见解，特别是在减轻由大体积变化引起的界面退化方面。

图形摘要

本文采用原位压力检测技术、聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）、核磁共振（NMR）和有限元模型（FEM），揭示了预锂化硅基阳极与硫阴极之间交替应力演变和缓冲效应的机制，从而提高了SSE的界面和结构稳定性。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。