电池已成为现代技术不可缺少的组成部分。锂离子电池（lib）几乎无处不在，从手持电子设备和电动汽车到可再生能源发电系统中使用的大型充电宝。然而，目前的LIB设计存在一些严重的缺陷，包括耐久性低和使用有毒液体电解质。
为了解决这些局限性，科学家们十多年来一直在研究全固态电池。 虽然理论上硅基全固态电池应该比传统的锂离子电池更耐用，但在实现这一目标之前，仍有一个尚未解决的难题。 当硅基全固态电池经历充放电循环时，硅负极会反复膨胀和收缩。 这对电极和坚硬的固体电解质之间的界面造成了很大的机械应力，导致前者最终开裂、脱落，并出现不可逆的性能下降。 在这种背景下，日本同志社大学土井隆之教授领导的研究小组探索出了一种很有前景的全固态电池解决方案。
研究人员在 2024 年 10 月 29 日在线发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 上的论文中解释说，他们研究了在氧化硅（SiOx）电极中添加孔隙是否能防止硅电极因膨胀和收缩而导致的开裂和剥落问题。 这项研究由日本同志社大学的丸本康平博士和日本日立高新技术公司的中野清隆博士共同完成。
为了验证他们的假设，研究人员通过射频溅射合成了多孔氧化硅电极，并将其用于制造以 Li-La-Zr-Ta-O (LLZTO) 为固态电解质的各种全固态电池。 他们利用先进的扫描电子显微镜技术详细分析了所获得的孔隙结构，并研究了它们与电池在反复充放电循环后的整体性能之间的相关性。 有趣的是，与无孔氧化硅相比，高孔隙氧化硅电极的循环性能要好得多，因为无孔氧化硅在循环后容量会大幅下降。
显微镜观察清楚地解释了纳米尺度上发生的事情："到第 20 个循环时，无孔氧化硅从 LLZTO 电解液中部分剥离，这与我们观察到的容量急剧下降和内阻上升是一致的，"Doi 博士说，"相比之下，虽然最初观察到的多孔氧化硅孔隙结构在反复膨胀和收缩后坍塌，但剩余的孔隙仍然起到了缓冲内部和界面应力的作用。 在全固态电池中，Si 和 SiOx 电极的一个紧迫限制是，它们的厚度必须保持极低（小于一微米），以防止开裂和剥落。 然而，在氧化硅中加入孔隙后，即使氧化硅薄膜的厚度达到 5 微米，也能实现稳定的充放电循环。
这项研究的结果揭示了如何利用多孔结构来释放全固态电池的真正潜力。 此外，由于全固态电池具有更高的安全性和更长的使用寿命，它还能使电动汽车成为对消费者更具吸引力的选择。
原文链接: Kohei Marumoto et al, Tailored Design of a Nanoporous Structure Suitable for Thick Si Electrodes on a Stiff Oxide-Based Solid Electrolyte, ACS Applied Materials & Interfaces (2024). DOI: 10.1021/acsami.4c15894
