硅负极快充难题破解,全固态电池迎新突破!北京科技大学&中科院物理所&军科院防化院Small：克服快充硫化物基全固态电池硅负极的动力学限制

第一作者：曹德富，张啸

通讯作者：李叶晶*，张浩*，范丽珍*，王雪锋*

单位：北京科技大学，中科院物理所，军科院防化院

全固态电池因其高能量密度和本质安全特性，有望解决电池高能量密度和高安全性之间的矛盾。在众多固态电解质中，硫化物固态电解质凭借其高室温离子电导率和良好的成型性，展现出巨大的应用潜力。硅负极因其极高的理论比容量、适中的嵌锂电位和低成本，与锂金属相比，硅与硫化物电解质的界面相对更稳定，有望缓解枝晶生长等问题。然而，硅负极自身存在两大瓶颈：电子导电性差和循环过程中巨大的体积变化。这两个问题在全固态体系中尤为突出，导致电极内部接触失效、反应不均匀，尤其是在高电流快充时，极易引发锂枝晶生长并最终导致电池短路。尽管通过纳米化、碳复合等方式可在一定程度上改善其性能，但快充条件下的短路问题始终未能得到根本解决，其背后的 “动力学限制”尚不清晰。

近日，北京科技大学范丽珍/李叶晶&中科院物理所王雪锋&军科院防化院张浩团队在Wiley旗下旗舰期刊Small发表研究——《Overcoming Kinetic Limitations of Silicon Anodes Toward Fast-Charging Sulfide-Based All-Solid-State Batteries》。作者设计了一套“电子-离子解耦”实验，首次把“快充短路”的动力学极限锁定为硅电极内部缓慢的电荷转移，而非传统认知的Li⁺体相传输。为此，研究团队提出了一项创新设计：采用微米级铝锂合金颗粒替代导电炭黑，与纳米硅复合，构建 “全电化学活性” 复合负极，协同提高硅负极的动力学和机械稳定性，并采用化学预锂化技术，进一步提升了电池的快充和循环性能。

通过三电极监测电池短路时的负极电位，并测试了不同组分配比的复合硅负极（SSCxyz）电化学性能和电子/离子电导率，对比发现：硅电极的电子电导率是决定其高倍率性能的关键。当复合负极的电子电导率低于约 48 mS cm⁻¹ 时，电池在 3C 倍率下就会发生短路。这一发现将研究焦点从传统的“提升离子传导”转向了“优化电荷转移网络”，为负极设计指明了方向。

研究用具有电化学活性的铝替代非活性的导电炭黑，这种设计带来了多重收益：（1）提升能量密度：铝自身贡献容量，Al在0–0.45 V vs. Li⁺/Li可逆储锂650 mAh g⁻¹，既提供电子通道，又额外贡献容量，避免了非活性添加剂的容量损失；（2）增强动力学：铝的高导电性构建了高效的电子传输网络，复合负极电子电导率大幅提升；（3）改善界面稳定性：微米铝的低比表面积减少了副反应，XPS和气象滴定色谱（TGC）分析显示其界面副产物含量显著低于含炭黑电极；（4）提升机械稳定性：铝的延展性缓冲了硅的体积膨胀，原位压力监测显示电极内部接触压力变化更平缓，结构更稳固。

为补偿循环中不可避免的活性锂损耗，研究进一步对铝进行了化学预锂化处理，形成 LiₓAl 合金。预锂化的铝不仅提供了额外的锂源，将全电池的初始库伦效率提升至 89.3%，还进一步提高了负极的整体导电性。最终构建的 SpA6040 复合负极在全电池中展现出卓越的综合性能：在 3C 倍率下可逆容量达 103.6 mAh g⁻¹，在 1C 倍率下循环 850 次 后容量保持率高达 80.5%，且面积容量达 6.7 mAh cm⁻²。该性能在已报道的硅基全固态电池中处于领先水平。

论文最后给出全固态电池快充硅负极“四步进阶”设计路线图：从“低导电+大膨胀”到“高导电+自缓冲”，SA-AEA anode设计同时解决电子/离子传输、体积变化、界面副反应、能量密度四大痛点，为产业界提供了可放大、可量化的硅负极快充方案。

D. Cao, X. Zhang, S. Xu, et al. Overcoming Kinetic Limitations of Silicon Anodes Toward Fast-Charging Sulfide-Based All-Solid-State Batteries. Small (2026): e14835.