《Journal of Energy Storage》：Silicon based anodes with polymer-electrolytes for solid-state lithium-ion batteries: A mini review
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硅基负极与聚合物电解质整合技术综述：针对硅体积膨胀（300%）导致的结构劣化问题，通过碳工程复合材料、应力缓冲涂层及陶瓷-聚合物杂化体系优化界面稳定性与导电性（10^-5-10^-3 S/cm）。重点解析准固态/固态聚合物电解质（Q/GPEs/SPEs）的协同效应，提出提升固态锂电池（SSLIBs）能量密度（>2000 mAh/g）、安全性和循环寿命（>1000次）的技术路径，为商用电化学储能系统开发提供理论支撑。
作者：Manjunath Rangasamy、Senthil-Kumar Parthasarathi、Nae-Lih Wu
单位：国立台湾大学化学工程系，台北，10617，台湾
摘要
硅已成为下一代固态锂离子电池（SSLIBs）的高容量负极材料，但其实际应用受到体积膨胀、界面退化和导电性损失的限制。聚合物电解质具有安全性、柔韧性和可规模化加工的优势，但需要精心设计以克服导电性低和界面稳定性差的问题。尽管在硅负极和聚合物电解质方面取得了显著进展，但近年来关于二者直接结合的研究仍然非常有限，这表明该领域仍处于起步阶段。本文综述了基于硅的负极与聚合物电解质结合的技术进展，包括碳工程复合材料、应力缓冲涂层以及陶瓷与聚合物的混合体。通过使用富含LiF的SEI（固体电解质界面）、自修复聚合物和氮键合框架等界面改性技术，实现了长循环寿命和室温下的高导电性（10^-5–10^-3 S cm^-1）。这些进展为将实验室规模的硅-聚合物电解质系统转化为具有高能量密度、安全性和耐用性的商用SSLIBs奠定了基础，适用于电动汽车和电网储能领域。
引言
随着对电动汽车、便携式电子产品和电网系统中的下一代储能技术需求增加，高容量且安全的锂离子电池（LIBs）的研究也在加速发展[1,2]。传统的石墨负极液态电解质电池存在局限性：石墨的理论容量较低（372 mAh g^-1），限制了能量密度[3]，而易燃的液态电解质则存在安全隐患和泄漏风险[4]。硅作为一种负极材料具有较高的理论容量（3578–4200 mAh g^-1）和较低的工作电位[5,6]，但由于约300%的体积膨胀、不稳定的SEI形成以及较差的固有导电性，其实际应用受到阻碍[6]。
固态电解质（SSEs）逐渐被视为比液态电解质更安全、能量更高的选择[7,8]，尤其是聚合物电解质，因其具有机械柔韧性、可调化学性质和可规模化加工的特点[9]。然而，其在室温下的离子导电性较低，且电极-电解质界面较为脆弱，因此需要更精细的材料设计。准凝胶聚合物电解质（Q/GPEs）具有较高的离子导电性和良好的电极润湿性[10]，而固态聚合物电解质（SPEs）虽然去除了游离液体成分，提高了机械稳定性，但通常会降低导电性[10]。
尽管在硅负极和固态聚合物电解质方面的研究较多，但两者结合的具体技术仍较少，近年来仅有少数相关研究。当前的研究重点在于克服硅的不稳定性和聚合物电解质的局限性，推动了与硅兼容的固态电池架构、高压聚合物电解质以及界面设计概念的发展[11, [12], [13]，进一步凸显了将硅与聚合物电解质结合开发下一代SSLIBs的紧迫性。
策略包括硅纳米结构化、碳工程框架、应力缓冲表面涂层以及多功能界面设计，这些措施可提高导电性并抑制副反应（见图1）。在电解质方面，含有陶瓷填料、弹性聚合物网络和自修复功能的混合设计提升了离子导电性、抑制了枝晶生长并实现了长循环寿命。这些进展表明，合理的电极-电解质集成可以实现硅的高容量同时保持固态电池所需的机械和电化学稳定性。
本文重点介绍了基于硅的负极与聚合物电解质在固态锂离子电池中的应用进展，首先概述了硅负极的工程策略，然后探讨了其与氧化物和硫化物固态电解质的兼容性，最后总结了准凝胶聚合物电解质（Q/GPEs）和固态聚合物电解质（SPEs）的最新进展。通过结合机理分析和电化学指标，本文为将硅-聚合物设计转化为实用的、高能量密度的SSLIBs指明了方向。
硅负极的策略
硅负极具有出色的理论容量，但在锂化过程中会经历约300%的体积膨胀，导致颗粒断裂、粉碎和电接触丧失。不同结构的硅在锂化过程中的应力变化不同：结晶硅在锂化过程中容易断裂，而非晶硅则主要在脱锂过程中因拉伸应力而失效。为了解决这些问题，可采用控制材料尺寸、制备复合材料等方法。
含硅负极的聚合物电解质
聚合物电解质因其弹性、低界面电阻和可调化学性质而成为高容量硅负极的理想选择。与刚性无机电解质不同，聚合物电解质能够与膨胀的硅保持接触。根据液体含量，聚合物电解质可分为准凝胶聚合物电解质（Q/GPEs）和固态聚合物电解质（SPEs），每种类型都有其独特的优势和局限性。后续章节将讨论它们的设计、发展历程等。
其他固态电解质：含硅的氧化物和硫化物
尽管聚合物电解质具有机械柔韧性和适应性强的界面，但无机固态电解质（ISEs）如氧化物和硫化物仍是固态电池研究中的重要基准材料，因为它们具有较高的离子导电性（10^-4–10^-2 S cm^-1）和宽电化学稳定性窗口。
结论与展望
将基于硅的负极与聚合物电解质结合，使得固态锂离子电池（SSLIBs）从早期的概念验证研究逐步发展为更实用的系统。准凝胶聚合物电解质（Q/GPEs）实现了较高的离子导电性（10^-3–10^-2 S cm^-1）和灵活的电极接触，有效应对了硅的体积变化，但其中的部分液态成分限制了其热稳定性和机械稳定性。固态聚合物电解质（SPEs）在某些方面也表现出优势。
作者贡献声明
- Manjunath Rangasamy：撰写与编辑（综述及初稿）
- Senthil-Kumar Parthasarathi：撰写与编辑
- Nae-Lih Wu：撰写与编辑；监督工作
利益冲突声明
作者声明不存在已知的财务利益冲突。
致谢
本研究得到了“绿色材料科学与技术高级研究中心”的资助，该中心隶属于高等教育部的高等教育Sprout项目框架内；同时得到了台湾国家科学技术委员会的资助（合同编号：NSTC 113-2221-E-002 -065 -MY3、113-2923-E-011-002、114-2923-E-002-011-MY3），以及国立台湾大学核心联盟项目（编号：#114L895205）的支持。
