综述：硅基负极在全固态锂电池中的研究进展：材料改性与结构设计

（编辑推荐）本综述系统探讨了全固态锂电池(ASSLBs)中硅(Si)负极的改性策略与结构设计，聚焦其高理论容量(3579 mAh/g)和体积膨胀难题，涵盖尺寸调控、合金化/掺杂、预锂化及复合电解质(SSEs)界面优化等关键技术，为高能量密度与安全性电池开发提供理论支撑。

　　

硅基负极在全固态锂电池中的研究进展：材料改性与结构设计

引言

全固态锂电池(ASSLBs)因其高安全性和能量密度(350–500 Wh/kg)成为下一代储能系统的核心。硅(Si)负极凭借3579 mAh/g的理论容量、低电位和成本优势备受关注，但其体积膨胀、固态电解质界面(SEI)不稳定等问题制约实际应用。

硅负极的挑战

Si在充放电过程中经历复杂的电化学-机械行为：

• •

  相变机制：结晶硅(c-Si)与无定形硅(a-Si)的锂化路径差异显著，c-Si易碎裂，a-Si则呈现各向同性膨胀。

• •

  体积效应：锂化生成Li₁₅Si₄时体积膨胀达300%，引发颗粒破碎和界面接触失效。

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  界面问题：固态电解质(SSEs)与Si的固-固接触导致离子传输受阻，加剧锂化延迟和SEI反复破裂。

材料改性策略

1. 1.

   尺寸与结构调控

   • •

     纳米硅(nSi)比微米硅(mSi)具有更优的循环稳定性，因其较小绝对体积变化和更快锂离子扩散。

   • •

     多孔硅和硅纳米线(SiNWs)设计可缓冲膨胀应力，如3D多孔结构使容量保持率提升40%。

2. 2.

   合金化与掺杂

   • •

     Si与Mg、Al等形成合金相可降低体积膨胀率，如Si-Mg合金使膨胀率降至150%。

   • •

     N/F掺杂调控电子结构，增强Li⁺吸附能力并抑制电解液分解。

3. 3.

   预锂化技术

   通过Li₃N等添加剂补偿首次循环锂损耗，使初始库仑效率从70%提升至90%以上。

电极结构设计

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  薄膜电极：适用于微型器件，但面容量受限；

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  粉末压片电极：工艺简单但界面接触差；

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  片状电极：通过粘结剂优化实现高负载量(>3 mAh/cm²)。

展望

未来需突破电解质兼容性、界面化学-机械耦合机制及规模化制备技术，推动Si负极在ASSLBs中的商业化应用。