吕盈盈副教授、王玉美研究员、袁帅教授， CEJ：微米硅渣稳定界面的构筑实现其作为锂离子电池负极的循环利用

第一作者：马浩宇，赵宝刚

通讯作者：吕盈盈*，王玉美*，袁帅*

单位：上海大学，新加坡国立大学（重庆）研究院

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硅（Si）基锂离子（Li⁺）电池负极材料因其比容量高、嵌锂电位低，但成本高于普通石墨负极而备受关注。光伏硅切片过程常常伴随着大量材料报废。在此，我们提出了一种新技术，通过原位水解和聚合反应，在微米级光伏硅废料颗粒的表面使用弹性聚合物硅烷偶联剂（KH570）与三氟甲基丙烯酸乙酯（TFEMA）交联，形成有机分子封装。在循环过程中，氟化封端官能团可以诱导形成更稳定的富含 LiF 的固体电解质界面（SEI），从而降低Li⁺扩散和电荷转移电阻。弹性聚合物的交联网络可使修饰过的微米硅在5 A g^-1电流密度下进行500 次循环后保持985 mAh g^-1的容量（纯硅废料的 5 倍），并在全电池系统中实现 100 次循环后 90% 的容量保持率（131 mAh g^-1）。此外，带有这种功能性有机涂层的硅废料可与聚合物基电解质配成全固态电池，其比容量为 1000 mAh g^-1。这种有机分子封装技术简便易行，可复制性强，在资源循环利用方面具有较大的实用价值。

近日，上海大学的吕盈盈副教授、袁帅教授与新加坡国立大学（重庆）研究院王玉美研究员在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Integrating robust SEI on recycled micro-sized silicon scrap for stable lithium ion battery”的研究论文。该论文通过有机包覆光伏硅渣的方式，诱导生成富含LiF 的固体电解质界面（SEI）,实现了光伏硅渣在不同场景下（高温、全电池、固态电解质匹配）作为锂离子电池负极材料的可循环利用。

通过原位水解和聚合反应，在微米级光伏硅废料颗粒的表面使用弹性聚合物硅烷偶联剂（KH570）与三氟甲基丙烯酸乙酯（TFEMA）交联，形成有机分子封装；在半电池体系下，弹性聚合物的交联网络可使修饰过的微米硅达到了90.2%的高首效；在1 A g^-1的电流密度下，经过364次循环后，Si@TFEMA电极保持了1647 mAh g^-1的高放电比容量和约70.0%的优异容量保持率；在5 A g^-1电流密度下进行500 次循环后保持985 mAh g^-1的容量（纯硅废料的 5 倍）。在全电池系统中实现 100 次循环后保持131 mAh g^-1的容量以及90% 的容量保持率。

具有强吸电子性的三氟甲基封端弹性层包覆光伏硅渣诱导稳定的电极界面构建，在循环过程中，极性包覆层诱导Si@TFEMA电极表面以富LiF的SEI逐渐生长，同时促进Li⁺在电解质与电极界面的扩散，降低电极的电荷转移阻抗；同时原位包覆层具有应力耗散功能，有效抑制硅颗粒本征的膨胀破碎，保持电极完整性。

采用纯聚合物的固态电解质体系可与Si@TFEMA搭配使用。在25°C下对扣式电池进行测试，以Si@TFEMA为负极的纯聚合物固态电解质半电池能够实现50次循环，在循环50次后仍能仍保持1000 mAh g⁻¹的比容量；采用固态电解质的软包电池在100次循环后仍能仍保持1000 mAh g⁻¹的比容量。软包电池在不同循环次数下的充放电曲线表明，在活化后，循环过程中几乎没有明显的容量衰减，为安全性大容量电池体系通过可行思路。

Integrating robust SEI on recycled micro-sized silicon scrap for stable lithium ion battery