近日，一项由国际科研团队开展的开创性研究在锂离子电池领域取得了重大进展。该团队成功研发出一种基于高面积容量硅架构的片上负极设计，有效解决了困扰微型电池发展的关键问题——硅体积膨胀和固体电解质界面持续生长导致的机械与电化学故障。
随着物联网(IoT)技术的飞速发展以及便携式电子设备和电动汽车对高能量密度电池需求的增长，传统的石墨阳极材料已接近其性能极限。为了满足未来物联网设备以及其他微纳电子设备对于更小尺寸、更高安全性和耐用性的电池需求，硅因其卓越的能量密度和理论比容量（高达3579mAhg-1）被视为理想的替代方案。然而，硅在充放电过程中显著的体积变化一直是阻碍其实现商业化应用的重要瓶颈。
该研究团队创新性地提出了一种多孔硅上采用快速热退火的新颖片上阳极结构，这种结构由致密硅层覆盖在各向同性多孔层顶部组成。实验结果显示，在超过200次循环后，该结构实现了高达9mAhcm-2的面积容量，并保持库仑效率接近100%，显著提高了电化学和机械稳定性。
a) P-Si (RT)、b) P-Si/RTA-800°C、c) P-Si/RTA-1000°C 顶部 SEM 图像，以及 d) P- 的横截面 SEM 图像Si (RT)（插图显示树状结构），e) P-Si/RTA-800°C，f) P-Si/RTA-1000°C。它们报告的孔隙率 (%) 通过 X 射线反射法测量。
P-Si(RT)、P-Si/RTA-800°C和P-Si/RTA-1000°C的事后SEM表征。顶视图和横截面SEM图像显示P-Si(RT)、P-Si/RTA-800°C和P-Si/RTA-1000°C在1mAcm电流密度下循环50次后的形态变化−2。
P-Si/RTA-1000°C 的电化学和结构特性。a) 面积容量水平的顺序。b) 电流密度为1 mA cm -2时不同容量的电压-容量曲线。c) 每个容量级别的第一个循环的微分容量曲线。d) 事后SEM表征和宏观观察显示P-Si/RTA-1000°C阳极在达到20mAh cm -2后的结构完整性。
研究者通过精心设计实验，运用电化学蚀刻技术和快速热退火工艺来调控硅基材料的微观结构，创造出既能缓解体积膨胀压力又能稳定固体电解质界面的独特「三明治」结构。这一成果处于实验室验证阶段，初步展示了其解决硅基负极材料循环寿命短、容量衰减严重等问题的巨大潜力。
尽管如此，该研究成果仍处在不断优化和完善的过程中，以应对不同应用场景下对电池性能指标的多样化需求。一旦完全成熟并实现规模化生产，将对微电池行业带来革命性的影响，使得下一代物联网设备、可穿戴电子产品以及其他微系统能够拥有更长的使用寿命和更高的能源效率。
展望未来，这种新颖的硅架构不仅限于微电池领域的应用，还可能被拓展到其他对储能元件厚度和稳定性要求严苛的高新技术产业中。例如，在医疗植入设备、智能传感器网络乃至航空航天器的微型化电源解决方案等方面，新型硅负极电池都将大有作为，有力推动社会经济的创新发展和技术进步。这项科研成果充分体现了科研人员对现有难题的精准把握与技术创新精神，为全球能源存储技术的进步注入了新的活力。
参考资料
High-areal capacity Si architecture as an on-chip anode for lithium-ion batteries
Sofiane Abdelouhab, Graniel Harne A. Abrenica, Alexandre Heitz, Sylvain Meille, Lionel Roué, Abderraouf Boucherif, Denis Machon
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103172
