工程師們創造了一種新型的電池，將兩個有前途的電池子領域編織成一個電池。該電池同時使用固態電解質和全硅陽極，使其成為硅全固態電池。最初的幾輪測試表明，這種新電池是安全的、持久的、能量密集的。它為從電網存儲到電動汽車的廣泛應用帶來了希望。

該電池技術在2021年9月24日的《科學》雜志上有描述。加州大學圣地亞哥分校的納米工程師領導了這項研究，與LG能源解決方案的研究人員合作。

硅陽極以其能量密度而聞名，它比當今商業鋰離子電池中最常使用的石墨陽極高出10倍。另一方面，硅陽極因其在電池充電和放電時的膨脹和收縮，以及其在液體電解質中的降解而臭名昭著。這些挑戰使全硅陽極被排除在商業鋰離子電池之外，盡管其能量密度誘人。發表在《科學》雜志上的這項新工作為全硅陽極提供了一條有希望的發展道路，這要歸功于正確的電解質。

論文的主要作者DarrenH.S.Tan說通過這種電池配置，我們正在為使用硅等合金陽極的固態電池開辟一個新的領域。他最近在加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院完成了他的化學工程博士學位，并共同創辦了一家初創企業UNIGRID電池公司，該公司已獲得這項技術的許可。

具有高能量密度的下一代固態電池一直依賴金屬鋰作為負極。但這對電池的充電率有限制，而且在充電過程中需要升高溫度（通常是60攝氏度或更高）。硅陽極克服了這些限制，允許在室溫和低溫下有更快的充電速率，同時保持高能量密度。

該團隊展示了一個實驗室規模的全電池，在室溫下可進行500次充電和放電循環，容量保持率為80%，這對硅陽極和固態電池界來說都是令人興奮的進展。

硅作為陽極取代石墨

當然，硅陽極并不新鮮。幾十年來，科學家和電池制造商一直期待著將硅作為一種能量密集的材料混入或完全取代鋰離子電池的傳統石墨陽極。理論上，硅的存儲能力大約是石墨的10倍。然而，在實踐中，將硅添加到陽極以增加能量密度的鋰離子電池通常會遭受現實世界的性能問題：特別是，在保持性能的情況下，電池可以充電和放電的次數不夠多。

這個問題大部分是由硅陽極和它們所搭配的液體電解質之間的相互作用造成的。充電和放電過程中，硅顆粒的大量體積膨脹使情況變得復雜。這導致隨著時間的推移出現嚴重的容量損失。

"作為電池研究人員，解決系統中的根本問題至關重要。對于硅陽極，我們知道其中一個大問題是液體電解質界面不穩定，因此我們需要一種完全不同的方法。"加州大學圣地亞哥分校納米工程教授ShirleyMeng說，他是《科學》論文的通訊作者，也是加州大學圣地亞哥分校材料發現和設計研究所的主任。

事實上，加州大學圣地亞哥分校領導的團隊采取了一種不同的方法：他們消除了全硅陽極的碳和粘合劑。此外，研究人員還使用了微硅，它比通常使用的納米硅加工更少，價格更低。

一個全固態的解決方案

除了從陽極上去除所有的碳和粘合劑之外，該團隊還去除液體電解質。相反，他們使用了一種基于硫化物的固體電解質。他們的實驗表明，這種固體電解質在具有全硅陽極的電池中極其穩定。

孟教授說："這項新工作為硅陽極問題提供了一個有希望的解決方案，盡管還有更多的工作要做。我認為這個項目是對我們在加州大學圣地亞哥分校的電池研究方法的驗證。我們將最嚴格的理論和實驗工作與創造性和發散性思維相結合。我們也知道如何在追求艱難的基本挑戰的同時與行業伙伴互動。"

過去使硅合金陽極商業化的努力主要集中在硅-石墨復合材料上，或將納米結構的顆粒與聚合物粘合劑相結合。但它們仍然在為穩定性差而掙扎。

通過將液體電解質換成固體電解質，同時從硅陽極上去除碳和粘合劑，研究人員避免了一系列相關的挑戰，這些挑戰是在電池運作時陽極浸泡在有機液體電解質中而產生的。

同時，通過消除陽極中的碳，研究小組大大減少了與固體電解質的界面接觸（和不必要的副反應），避免了通常發生在液體電解質中的持續容量損失。

這個兩部分的舉措使研究人員能夠充分獲得硅的低成本、高能量和環境友好特性的好處。

影響和附帶商業化

"固態硅方法克服了傳統電池的許多限制。它為我們提供了令人興奮的機會，以滿足市場對更高的體積能量、更低的成本和更安全的電池的需求，特別是用于電網能源存儲。”論文的第一作者DarrenH.S.Tan說

硫化物基固體電解質通常被認為是非常不穩定的。然而，這是基于在液體電解質系統中使用的傳統熱力學解釋，它沒有考慮到固體電解質的卓越動力學穩定性。該團隊看到了一個利用這一反直覺的特性來創造高度穩定的陽極的機會。

譚是一家初創公司UNIGRID電池的首席執行官和聯合創始人，該公司已獲得這些硅全固態電池的技術許可。

與此同時，相關的基礎工作將在圣地亞哥大學繼續進行，包括與LG能源解決方案的額外研究合作。

LG能源解決方案公司總裁兼首席采購官Myung-hwanKim說："LG能源解決方案很高興與加州大學圣地亞哥分校合作的最新電池技術研究登上了《科學》雜志，這是一種有意義的認可，有了最新的發現，LG能源解決方案更接近于實現全固態電池技術，這將大大豐富我們的電池產品陣容。"

作為一家領先的電池制造商，LGES將繼續努力培養最先進的技術，引領下一代電池單元的研究，LG能源解決方案公司表示，它計劃進一步擴大與加州大學圣地亞哥分校的固態電池研究合作。