相比于传统纳米硅负极，微米硅负极在材料成本、振实密度、电极制备工艺方面具有巨大的优势。研究发现，在光伏硅片切割过程中产生的光伏硅废料具有成本低廉、来源广泛及纯度高等优势，可以作为微米硅负极材料的理想来源。由于微米级硅颗粒在锂化过程中会产生近300%的体积膨胀，导致其极易破碎粉化进而引发容量的急速衰减。传统微米硅负极的改性方法主要集中于对其进行碳包覆或引入高强度粘结剂，虽然此类改性方式取得了一定的效果，但距离商业化库伦效率超过99.9%的要求还存有较大差距。
研究团队前期首次报道了固体电解质界面相（SEI）中氢化锂含量与分布对微米硅的粉化失活过程具有重要的影响（Angew. Chem. Int. Ed. 2024,e202406198，Adv. Mater. 2024,2405384），硅负极SEI中的氢化锂会在硅脱锂时反向锂化硅，会导致微米硅发生更为严重的破碎粉化。与硅的电化学锂化不同的是，氢化锂对硅的局域锂化是不均匀的，进而诱发硅颗粒应力分布不均匀，加速微米硅的粉化失活。因此设计低氢活性的电解液，降低氢化锂的生成，并同时提升LiF/Li2O这类高效SEI组分含量，对抑制微米硅的粉化，提升微米硅的循环稳定性能至关重要。
青岛能源所固态能源系统技术中心在崔光磊研究员带领下，通过对电解液进行合理的优化调控，成功地在微米硅表面构筑了一层刚柔并济的SEI膜，首次实现了将光伏废料中不同粒径的微米硅颗粒应用于锂电池中。该研究成果以“Recycled micro-sized silicon anode for high-voltage lithium-ion batteries”为题发表于国际期刊Nature Sustainability上。
该研究的关键之处在于创新性的电解液设计，相比于其他常规的五元、六元环醚，具有间氧结构的六元环醚1,3-二氧六环不仅可以与LiPF6盐具有优异的化学兼容性，同时在低电压下还会通过路易斯酸（PF5）的诱导，在微米硅表面发生开环聚合，从而促进了富含刚性LiF/Li2O的内层及富含柔性聚合物的外层SEI形成。这种新型电解液不仅能够使粉碎微米硅颗粒保持电化学活性，还可促进锂离子在SEI中均匀传输，防止局部应力分布不均等问题。此外，由于PF6-阴离子具有相对较弱的溶剂化能力，即使在3M LiPF6浓度下，几乎所有溶剂也都会加入到锂离子的溶剂化壳层中，从而极大地提升了醚类溶剂的抗氧化性能。因此，采用了该电解液的光伏废料微米硅颗粒（D50=6.14 μm）在商业化面容量条件下经过200圈循环后可实现83.13%的容量保持率，其平均库伦效率高达99.94%。使用该新型电解液的NCM811||μm-Si软包电池能够实现340.7 Wh kg-1的能量密度，并保持良好的循环稳定性。
文章第一作者为青岛能源所刘涛副研究员，董甜甜博士后，通讯作者为崔光磊。该工作获得了山东省科技创新重点项目、国家自然科学基金项目、山东省自然科学基金项目、泰山学者计划等项目的支持。
原文链接:https://www.nature.com/articles/s41893-024-01393-9
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