李喆博士、傅正文教授， AFM：通过固态电化学预锂化实现超高面积容量硅负极的性能瓶颈突破

第一作者：左津宁，苏启立

通讯作者：李喆*，傅正文*

单位：上海通用，复旦大学

硅负极因其高理论容量（3600 mAh g^-1）和低工作电位（≈0.3 V vs Li/Li⁺）被认为是下一代高能量密度锂离子电池的理想负极材料。然而，硅在充放电过程中存在巨大的体积膨胀（>300%），导致首次库伦效率低（通常<80%）、活性物质脱落和固态电解质界面不稳定等问题，严重限制了其实际应用。

近日，来自上海通用公司的李喆博士与复旦大学的傅正文教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Breaking the Performance Bottleneck of Silicon Anodes with Ultrahigh Areal Capacity via Solid-State Electrochemical Prelithiation”的文章。该文章探究了“锂离子分布均匀性—电极结构完整性—电化学性能提升”之间的构效关系，以固态电化学腐蚀预锂化的方法突破了硅负极的电化学瓶颈，在传统液态电池和全固态电池中均实现了高面容量、高循环保持率的电化学性能。

通过磁控溅射方法在Si膜表面不完全覆盖LiCPON层，同时实现离子通路与电子通路的运输，成功构建电化学腐蚀体系。

后续，通过对比固态电化学腐蚀预锂化与固态化学腐蚀（SCC，Si膜上直接热蒸发金属锂）预锂化的差异，表征了两种方法获得的预锂化产物，分别命名为pre-Si-LiCPON和pre-Si。通过TOF-SIMS和SEM分析发现，SEC预锂化相较于SCC预锂化具有更均匀的Li⁺分布，有效抑制了局部应力集中和裂纹产生，保证了电极结构的完整性。并通过对厚度测量，明确两种预锂化方法的预锂化效率差异。

该研究对采用不同预锂化方法（SCC和SEC）的硅负极进行了系统的电化学性能评估，并在液态锂电池和全固态电池两种体系中验证了SEC预锂化策略的普适性和优越性。在液态电池中，SEC预锂化硅负极的初始库伦效率高达94.13%，全电池能量密度达470.5 Wh kg⁻¹，135次循环后容量保持率达86.70%。此外，通过对阻抗图谱的分析，pre-Si-LiCPON显示出优异的离子传输动力学。

在全固态电池中，由于固-固界面接触差、阻抗大等问题，硅负极的性能挑战更为严峻。然而，SEC预锂化策略同样展现出强大优势，其ICE由68.39%提升至82.69%，实现444.3 Wh kg⁻¹的能量密度，并在209次循环后容量保持率达到77.19%。

在固态电池中，通过SEM发现，pre-Si-LiCPON有着明显减少的裂纹，保证了电极结构的完整性。此外，通过XPS和HRTEM发现，在该电极结构下，电解质的渗透分解均有所减少，为其循环性能的提升给出了直接解释。类似的，在液态电池中，pre-Si-LiCPON依旧保持良好的完整性，并形成均匀连续的SEI层。在此基础上，对循环前后的厚度测量结果表明，SEC预锂化方法有效缓解了又体积膨胀引发的电极粉碎失效。

通过COMSOL模拟循环过程中嵌锂和脱锂终态的锂离子浓度和内部应力模拟，可以发现，SEC预锂化硅负极在充放电过程中Li⁺浓度和应力分布更为均匀，显著降低了电极碎裂风险。随后在固态电池的原位压力测试中，得到了与模拟一致的结果，揭示了自我增强的电化学循环机制。

本研究通过引入LiCPON界面层与SEC预锂化策略，成功实现了硅负极的均匀锂化、高首次库伦效率与优异结构稳定性，显著提升了其在液态与全固态电池中的电化学性能，并明确了“锂离子分布均匀性—电极结构完整性—电化学性能提升”之间的构效关系。该策略为高负载硅负极的商业化应用提供了具有潜力的技术路径

Breaking the Performance Bottleneck of Silicon Anodes with Ultrahigh Areal Capacity via Solid-State Electrochemical Prelithiation

李喆博士简介：李喆博士现任通用汽车全球研发中心，高级研究员兼电池材料专家。他于日本横滨国立大学获得博士学位，师从著名化学家-渡边正义教授。其研究主要聚焦于前沿电池体系，包括电池材料开发，电芯架构设计以及电芯制造工艺优化等。目前已在领域内发表了SCI学术论文20余篇，并申请了140余项国际PCT专利，持续推动电池技术的创新。

左津宁：复旦大学化学系硕士研究生，导师为傅正文教授。本科毕业于南开大学化学学院，目前研究方向为锂离子电池中的硅基负极预锂化。