硅基负极材料被看作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,对达成国家“双碳”目的、促进新能源产业升级具有战略意义。然而,硅在充放电流程中现存高达300%的体积膨胀,致使固态电解质界面(SEI)持久破裂与再生,造成首周库伦效率低、循环寿命短等瓶颈难题,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,国际科研团队采用了多种复杂策略。美国加州大学圣地亚哥分校探讨团队尝试应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对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探讨人员则从电解液革新入手,研发了一种甘醇二甲醚基电解液,可在硅电极表面构成共形包覆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。那些国际上的办理方案广泛现存一个一同点,即经过引入新材料或新物质来办理难题,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、自治区革新系统的“先锋队”和国家科技革新基地的“预备队”,由宁夏大学、北方民族大学、中色(宁夏)东方集团有限公司一同建设。实验室聚焦高性能电池材料与器件、先进光伏材料与器件、绿色制氢与保证储氢三个国家新能源重点进展领域,依托国家新能源综合示范区与宁夏独特资产禀赋,面向世界科技前沿,聚焦新能源材料产业进展瓶颈,凝炼关键科学技术难题,机构国内外探讨力量,开展前瞻基本探讨与协同攻关探讨。

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,革新提出“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,不转变电解液组成与电极结构的前提下,仅经过施加特定脉冲电压,调控界面阴离子迁移行为,诱导构成富含LiF的稳定SEI层。探讨经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实力。优选脉冲协议下构成的双层SEI具备优异力学性能与离子导通实力,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,为办理硅负极首周库伦效率低的难题给予了全新路径。

采用脉冲电场震荡阴离子主动控制SEI构成反应及组分结构,显著提升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长处显著。国际上为办理硅基负极SEI稳定性难题,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,径直从界面动力学流程入手,经过精确调控电场扰动,诱导阴离子在电极界面优先分解构成富含LiF的SEI层,这种 “流程控制”而非“物质添加” 的革新思路,不但减少了原料成本,更避免了引入新物质或许带来的副作用。相干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),具备优秀的产业推广前景。

当国际上仍首要依赖于复杂材料体系的被动化学反应产物办理硅基负极难题时,我国探讨人员独辟蹊径,从施加物理场干预的革新角度主动控制界面结构,提出了更简洁、更易产业化的办理方案。这种革新思路的转变,彰显了我国在新能源材料领域日益增强的原始革新实力。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,一同勾勒出我国在下一代电池技术领域的革新实力。该探讨工作获取了国家天然科学基金工程、贺兰山实验室“攀登计划”工程、宁夏重点研发计划工程的大力支撑。

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