山东大学冯金奎教授， Advanced Energy Materials：微米硅基电池中液态到固态电解质的进展

在当今社会，随着科技的飞速发展和能源需求的不断攀升，高性能电池技术成为了全球瞩目的焦点。锂离子电池（LIBs），以其高能量密度、长循环寿命及广泛的应用领域，已成为便携式电子设备和电动汽车等领域的核心动力来源。硅（Si）因其高比容量（3579 mAh・g⁻¹）、天然丰度和成本优势，成为下一代高能量密度锂离子电池的关键候选材料。与纳米硅相比，微米硅（µSi）负极因更高的振实密度和更低的生产成本重新获得研究关注，但其面临更严重的体积膨胀问题，导致电极-电解质界面不稳定。电解质在缓解体积膨胀、稳定界面中起关键作用，因此从液态到固态电解质的设计优化是解决微米硅负极挑战的核心方向。本篇综述全面总结了液态、准固态和全固态电解质在微米硅负极中的最新研究进展。

近日，山东大学冯金奎教授团队在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Advancements in Electrolytes: from Liquid to Solid for Low-Cost and High-Energy-Density Micro-Sized Silicon-Based Batteries”的综述文章。该综述分析了微米硅（µSi）负极及其相容电解质所面临的基本挑战，全面总结了液态、准固态和全固态电解质在μSi负极中的最新进展和优化策略。此外，文章还深入探讨了 μSi 负极与不同电解质系统兼容发展的商业前景、潜在挑战及战略视角。这不仅为加速 μSi 负极在高能量密度锂电池中的商业化应用提供了基础见解和实践指导，同时为其他微米尺寸负极材料的发展提供了宝贵的参考。

作为当前主流的商业电解液解决方案，液态电解液在短期内仍将保持不可替代的地位，是目前微米硅负极最成熟的应用体系。通过对LiPF₆、LiFSI、LiTFSI等锂盐开发与碳酸酯类、醚类、混合体系等溶剂设计策略相结合，同时协同功能性添加剂，液态电解质可以优化固体电解质界面膜（SEI）结构与成分，缓解μSi负极体积膨胀和持续SEI破裂问题，同时控制界面副反应，实现电化学安全性与循环性之间的平衡。

准固态电解质通过凝胶化和聚合策略在液态与固态特性之间寻求平衡，结合了液态电解液的高离子电导率与固态基质的机械强度，成为连接液态与全固态体系的关键过渡。同时还需将先进电解质设计与界面工程创新、新型加工技术及电极结构改性相结合，以实现μSi基负极与准固态电池系统之间的工艺兼容性。准固态体系在安全性（低挥发性、难燃）和循环稳定性上优于液态，但仍需解决残留液体导致的长期界面退化问题。

微米硅负极在全固态电解质中探索仍处于早期发展阶段，面临的挑战比传统液态电解质系统更为复杂。关键问题在于全固态电解质与μSi负极之间的界面接触不足，界面电阻显著升高，离子电导率较低，并且制备成本昂贵、规模化工艺复杂。全固态电解质主要包括聚合物电解质、氧化物和硫化物等无机电解质以及复合电解质等体系。通过设计聚合物与无机物相结合的复合电解质以及开发新型电解质材料，集成μSi负极的全固态电池有望从实验室过渡到商业化应用，实现高能量密度与安全性的完美结合。

用于锂离子电池微米硅负极的液态、准固态和全固态电解质系统仍面临面临硅基材料带来的挑战，未来的研究方向包括：协同设计液态电解质中锂盐、溶剂及功能性添加剂等不同成分；解决μSi负极与准固态电解质之间的显著工艺兼容性问题；克服全固态电池特有的界面电阻、应力适应和制造瓶颈等挑战。通过对μSi负极改性与电解质设计协同优化，解决界面工程与结构兼容性挑战，将加速低成本、高能量密度的微米硅基电池在商业市场中的应用。

冯金奎，教授，博士生导师，入选国家级青年人才、山东省杰青、泰山学者青年专家、山东大学中青年学者。山东大学材料物理化学研究所副所长。全球高被引科学家，第一位获得山东省自然科学二等奖。1999-2008本硕博毕业于武汉大学化学与分子科学学院，2008-2012在新加坡国立大学和美国宾夕法尼亚州立大学从事博士后研究工作，2012年至今在山东大学材料科学与工程学院工作。

主要研究从事二次电池材料研究，在高能量密度水系和非水系二次电池取得一系列创新性成果。在Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Materials Today等期刊发表SCI论文230余篇，总他引11000余次，H因子67。授权专利50余项，主持省部级以上项目10余项。担任Nature子刊Scientific Reports等10余个期刊编委或者青年编委。中国化学会高级会员，中国化工学会化工新材料委员会委员，中国电工技术学会电池专业委员会，美国化学会、英国皇家学会、国际电化学会会员。山东省第一届新旧动能转换新能源评审组组长、国家自然科学基金、山东省重点研发计划等评审专家。课题组长期招聘博士后、科研助理、副研究员和助理研究员。

李宜豪，山东大学2024级硕士生。硕士期间研究方向为高能量密度锂离子电池硅基负极。