硅基负极材料被视为下一代高能量密度锂电池的核心方向,其理论容量远超现有石墨材料,可大幅提升电动汽车续航与储能系统效能,对实现国家“双碳”目标、推动新能源产业升级具有战略意义。然而,硅在充放电过程中存在高达300%的体积膨胀,导致固态电解质界面(SEI)持续破裂与再生,造成首周库伦效率低、循环寿命短等瓶颈问题,严重制约其产业化进程。
为攻克硅基负极的界面不稳定性这一世界性难题,国际科研团队采取了多种复杂策略。美国加州大学圣地亚哥分校研究团队尝试使用硫化物固体电解质的界面钝化特性,使微米级纯硅颗粒负极稳定运行。该方法虽有效,但硫化物固态电解质技术仍面临成本高昂和规模化生产难度大的挑战。美国橡树岭国家实验室的研究人员则从电解液创新入手,研发了一种甘醇二甲醚基电解液,可在硅电极表面形成共形包覆SEI膜。该技术虽然提升了循环稳定性,但新型电解液的商业化应用仍存障碍。这些国际上的解决方案普遍存在一个共同点,即通过引入新材料或新物质来解决问题,不可避免地增加了技术复杂度和产业化难度。
贺兰山实验室是宁夏回族自治区重点建设的战略科技力量、自治区创新平台的“先锋队”和国家科技创新基地的“预备队”,由宁夏大学、北方民族大学、中色(宁夏)东方集团有限公司共同建设。实验室聚焦高性能电池材料与器件、先进光伏材料与器件、绿色制氢与安全储氢三个国家新能源重点发展领域,依托国家新能源综合示范区与宁夏独特资源禀赋,面向世界科技前沿,聚焦新能源材料产业发展瓶颈,凝炼关键科学技术问题,组织国内外研究力量,开展前瞻基础研究与协同攻关研究。
宁夏大学-贺兰山实验室王海龙教授团队。
在这一背景下,王海龙教授及其团队,创新提出“脉冲电压振荡筛选阴离子主动调控SEI结构性能”策略。该技术独到之处在于,不改变电解液组成与电极结构的前提下,仅通过施加特定脉冲电压,调控界面阴离子迁移行为,诱导形成富含LiF的稳定SEI层。研究通过系统电化学测试与微观结构表征,验证了脉冲电压对SEI组分与结构的精确调控能力。优选脉冲协议下形成的双层SEI具备优异力学性能与离子导通能力,使硅负极首周库伦效率从85.4%提升至90.8%,并显著增强其循环稳定性,为解决硅负极首周库伦效率低的难题提供了全新路径。
采用脉冲电场震荡阴离子主动控制SEI形成反应及组分结构,显著提高硅基负极首周库伦效率至90.8%。
这项技术与国际上的其他技术路径相比优势显著。国际上为解决硅基负极SEI稳定性问题,或采用硫化物固体电解质,或研发新型电解液,均引入了新的物质组成,增加了技术复杂度和成本。而王海龙教授提出的脉冲电压振荡筛选阴离子技术,直接从界面动力学过程入手,通过精确调控电场扰动,诱导阴离子在电极界面优先分解形成富含LiF的SEI层,这种 “过程控制”而非“物质添加” 的创新思路,不仅降低了原料成本,更避免了引入新物质可能带来的副作用。相关成果以封面论文形式发表于国际知名期刊《Small》,并申请了国家发明专利(202510906279.8),具备良好的产业推广前景。
当国际上仍主要依赖于复杂材料体系的被动化学反应产物解决硅基负极问题时,中国研究人员独辟蹊径,从施加物理场干预的创新角度主动控制界面结构,提出了更简洁、更易产业化的解决方案。这种创新思路的转变,彰显了我国在新能源材料领域日益增强的原始创新能力。宁夏大学与贺兰山实验室(新型研发机构)的这项技术突破,与我国在硅基负极材料领域的一系列进展相呼应,共同勾勒出中国在下一代电池技术领域的创新实力。该研究工作得到了国家自然科学基金项目、贺兰山实验室“攀登计划”项目、宁夏重点研发计划项目的大力支持。
