硅基固态电池是具有前景的下一代高能量密度技术。然而，硅负极与固态电解质（例如Li₆PS₅Cl）之间较差的（电）化学兼容性以及缓慢的界面动力学严重限制了其可逆性和库仑效率。
在此，甬江实验室林宁，宁波东方理工大学夏威等人提出了一种表面卤化策略，通过受控的AlCl₃反应，将硅颗粒表面的原生无定形SiO₂钝化层转变为功能性的Al(Si)OCl复合表面。这种人工界面层协调了界面不相容性，实现了快速的离子/电子传输，从而抑制了不可逆的锂损耗。
优化的负极在半电池中实现了94.3%的高初始库仑效率，在与LiNi₀.₈₈Co₀.₀₉Mn₀.₀₃O₂正极配对的全电池中实现了85.6%的初始库仑效率（预锂化后为86.6%）。增强的可逆性进一步带来了长期的循环性能。优化后的负极在200次循环后，容量保持率达86%，平均库仑效率达99.998%。
即使在高负载（>10 mAh cm⁻²，且无粘合剂/导电碳/电解液添加剂）条件下，它在5.1 mA cm⁻²的电流密度下循环500次后仍保持72%的容量。组装的全电池在1C倍率下循环200次后保持80%的容量，平均库仑效率超过99.95%。该卤化策略的普适性凸显了卤化物化学在推进高性能、可逆硅基固态电池方面的广阔潜力。
图1. 电极结构表征
总之，该工作开发了一种以AlCl₃为例的卤化物驱动的表面卤化工程，该工程被证明可在硅颗粒上形成SA复合层。该复合层增强了硅负极与LPSC电解质之间的（电）化学兼容性，确保了稳定的界面传输动力学。同时，它消除了硅表面固有的a-SiO₂层，从而改善了硅基负极的离子/电子传输动力学。
值得注意的是，复合层中的AlOCl成分在循环过程中表现出高度的电化学稳定性，确保了后续循环中性能的持续增强。因此，该策略有效减少了初始及后续循环中的C-Li和K-Li，最终提升了硅基负极的容量利用率和可逆性。
改性后的Si@AlCl₃负极在半电池中表现出卓越的性能，在25°C下实现了94.3%的高初始库仑效率和3324.6 mAh g⁻¹的充电比容量，在10.5 A g⁻¹下的平均库仑效率达99.998%。值得注意的是，即使在严苛的高负载条件下（>10 mAh cm⁻²），该系统在25°C、5.1 mA cm⁻²下仍能稳定循环500次，容量保持率达72%。
与NCM正极配对时，全电池在200 mA g⁻¹下稳定循环200次，容量保持率达80%，平均库仑效率超过99.95%。结合预锂化工艺，全电池的初始库仑效率提升至86.6%。卤化物驱动的改性策略的普适性已得到进一步验证，为开发满足实际应用需求的高可逆性、高能量密度硅基固态电池提供了一条有前景的途径。
图2. 电池性能
Surface halogenation engineering for reversible silicon-based solid-state batteries, Nature Communications 2025 DOI: 10.1038/s41467-025-67985-x
夏威，宁波东方理工大学（暂名）理学部助理教授（副研究员、博导），上海交通大学兼职博导。2016年获北京大学力学（先进材料与力学）博士学位，先后在加拿大西安大略大学、南方科技大学担任博士后和副研究员职务。主要从事全固态电池和中子散射技术研究，并参与中子大科学装置建设。已在Chem. Rev.，J. Am. Chem. Soc.，Energy Environ. Sci.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater., Nano Lett.等国际著名学术期刊发表SCI收录论文50余篇，被引用8000余次，H-index为32，有7篇第一作者论文入选ESI高引论文。
林宁 甬江实验室 研究员 作为第一/通讯作者在Angew、EES、AEM、AFM.等核心期刊发表了70余篇高水平SCI论文；开发了纳米硅碳、碳包覆氧化亚硅、预锂化氧化亚硅等系列负极材料制备工艺，设计并建设千吨级硅基负极材料生产线。
