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发布：2026-05-31 · 事件：2026-05-31 08:32:03

“固态电池文献精选”编辑整理，转载请标注来源 【研究背景】 全固态电池凭借高安全、高能量密度的双重优势，坐稳下一代动力电池核心赛道，其中硫化物固态电解质凭借室温高离子电导率、优异机械柔性，成为产业化最具潜力的选型。 但锂金属负极伴随的枝晶短路、界面副反应难题 ，始终制约硫化物固态电池的安全性能与循环寿命，研发高容量、高稳定性的替代负极迫在眉睫。

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“固态电池文献精选”编辑整理，转载请标注来源 【研究背景】 全固态电池凭借高安全、高能量密度的双重优势，坐稳下一代动力电池核心赛道，其中硫化物固态电解质凭借室温高离子电导率、优异机械柔性，成为产业化最具潜力的选型。 但锂金属负极伴随的枝晶短路、界面副反应难题 ，始终制约硫化物固态电池的安全性能与循环寿命，研发高容量、高稳定性的替代负极迫在眉睫。 硅（Si）凭借4200 mAh/g的超高理论容量、地壳储量丰富、嵌锂电位温和的特性，成为替代锂金属的理想负极材料，既能规避锂枝晶风险，又能大幅拉升电池能量密度。 但硅负极在固态体系中存在两大致命短板：一是嵌锂过程中伴随≈400%的体积膨胀，极易引发电极粉化、界面脱粘，导致循环寿命断崖式衰减；二是硅本征离子、电子导电性极差，快充性能先天不足，即便添加传统炭黑导电剂，又会加速硫化物电解质界面分解，陷入性能恶化的死循环。 针对这一行业卡脖子问题， 哈工大团队摒弃炭黑导电剂，创新设计 铟-硅（In-Si）复合负极 ：通过低温热处理实现熔融铟均匀包覆硅颗粒，充电过程中原位转化为Li-In合金，构建贯穿电极的离子-电子混合导电网络，既破解传导瓶颈，又缓冲体积膨胀应力，最终实现硅基负极固态电池超长循环与快充性能的双重跃升。 【结果与讨论】 一、 In-Si负极制备与结构表征：熔融铟浸润包覆，搭建三维导电骨架 团队采用常规涂布+低温热处理的简易工艺制备In-Si负极，无需复杂设备，完全兼容传统锂电产线，具备规模化落地潜力： 将硅粉、铟粉、PVDF粘结剂按83:15:2的质量比调配浆料，均匀涂布在铜箔集流体上，干燥后置于185℃、80MPa压力环境下热处理4h，利用铟156℃的低熔点特性，让熔融态铟充分浸润硅颗粒间隙，冷却后形成均匀包覆层。 SEM与EDS表征结果直观证实：熔融铟均匀填充硅颗粒间隙，形成≈270nm厚的连续包覆层，无明显团聚现象；XRD测试显示，负极仅含Si、In与Cu集流体特征峰，无额外导电剂与电解质杂质，成分纯净度高。团队进一步调控铟掺杂比例（10%/15%/25%）开展性能对比，最终确定 15wt%铟为最优配比 ，完美兼顾比容量、倍率性能与循环稳定性。 热处理工艺带来两大核心性能跃迁：一是负极剥离强度从0.3-0.5N飙升至1.7N，电极与集流体附着力大幅提升；二是 电子电导率从纯硅负极的0.051 mS/cm跃升至1.78 mS/cm ，提升近两个数量级，彻底解决硅负极电子传导不畅的先天缺陷。 图1： In-Si 阳极的制备工艺及关键特性示 In-Si 阳极的制备流程图。b) 电极的扫描电子显微镜 In-Si 阳极的能谱分析。d) 利用电子背散射衍射模型对图 1b 中选定区域的放大视 干燥后电极的光学 In-Si 阳极的 X 射线衍射图谱。g) 半电池中 In-Si 阳极和纯硅阳极的锂离子嵌入曲线。 二、 嵌锂机制解析：铟优先嵌锂成合金，原位构筑混合导电通路 团队通过半电池测试与原位XRD物相分析，清晰揭示In-Si负极的分步嵌锂机制，这也是该负极性能优异的核心底层逻辑： Li-In合金嵌锂电位（0.6-0.61V vs Li⁺/Li）远高于硅（0-0.1V），因此充电过程中 铟优先嵌锂形成InLi，随后完全转化为InLi2 ，待电位降至0.11V以下，硅才开始嵌锂形成Li-Si合金。这意味着硅发挥容量之前，Li-In合金三维网络已完全成型，既能充当高速离子传导通道（ Li-In合金离子电导率≈82.3 mS/cm ），又能构建连续电子通路，实现离子-电子双向高效传导。 脱锂过程中，InLi₂逐步脱锂转化为InLi与单质铟，仍能保留完整导电网络骨架，避免电极结构坍塌。性能测试显示， In-Si负极依旧保持2800 mAh/g以上的高比容量 ，铟的加入几乎不牺牲硅的容量优势；针对全电池首效偏低（82.1%）的问题，通过简单预锂化处理，即可将 首效提升至94.3%以上 ，进一步强化实用价值。 图2： 对 In-Si 阳极成分变化的分析。a) In-Si 阳极的锂化曲线以及在不同电位下的相应相态。b) 图 2a 的详细放大图。c) 在锂化过程中不同电位下（相对于 Li+/Li 的电位）In-Si 阳极的 XRD 图谱：1.45、0.61、0.44、0.14、0.065 和 0.005 V。d) 在以 NCM90 为阴极的全电池中，In-Si 阳极放电至 4.1、3.6 和 2.4 V 时的 XRD 图谱。图 2a 中线段的颜色与图 2c 中所示 XRD 图谱中各个锂化阶段的颜色相对应。 三、 电化学与力学性能：快充超长循环双达标，电极结构稳如磐石 团队搭配Li5.5PS4.5Cl1.5硫化物电解质、NCM90高镍正极组装全固态电池，开展全维度性能验证，核心数据达到当前硅基固态负极顶尖水平： 1. 超长循环稳定性：2000次循环容量保持率98.5% 在3.69 mA/cm²电流密度（3C倍率）工况下， 电池循环2000次后容量保持率高达98.5% ，平均库仑效率接近100%；反观纯硅负极电池，0.3C倍率下仅循环40次，容量保持率仅剩17%，性能差距极其显著。 2. 优异快充性能：6C快充容量保持率80% 55℃测试条件下，电池以6C超高倍率充电， 放电容量仍能维持1C倍率下的80% ，无短路、无容量骤降，远超同类硅基负极固态电池快充水平，完美适配动力电池快充场景需求。 3. 高负载适配能力：面容量突破13.4 mAh/cm² 将 正极活性物质负载提升至71.7 mg/cm²时，电池仍能稳定输出13.4 mAh/cm²的高面容量 ，打破硅基负极固态电池高负载下性能暴跌的行业瓶颈，为高能量密度器件搭建奠定坚实基础。 4. 界面与结构稳定性：阻抗微增，电极无粉化 EIS电化学阻抗测试显示，30次循环后，纯硅负极电荷转移阻抗从91.1Ω飙升至173.6Ω，而In-Si负极仅从56.1Ω微增至69.8Ω，界面稳定性极佳；截面SEM直观对比：纯硅负极循环40次后完全粉化、脱离集流体，而In-Si负极仅出现微小裂纹，整体结构完整，牢牢贴合集流体。 图3： 不同循环状态下阳极的电化学性能及图像。首先，ASSBs 以 0.1C 的速率进行循环，随后以 0.3C 的速率在 30°C 的温度下继续循环。a、b）NCM90/Si 和 NCM90/In-Si 的 ASSBs 循环测试：（a）以 0.1C 进行充放电。（b）以 0.3C 循环 40 次。c - j）硅和 In-Si 阳极的横截面扫描电子显微镜图像：（c、g）原始状态。（d、h）首次完全充电。（e、i）。放电 1 次。（f、j）40 次放电后。 图4： 具有硅基负极的全电池的电池性能。a) 不同充电速率下循环次数与充电容量和库仑效率之间的关系。b) 不同速率下的相应充放电曲线。c) 在 3C 条件下循环次数与库仑效率和放电比容量之间的关系。d) 在 0.05C 条件下不同 NCM90 负载的 NCM90/硅基电池的充放电曲线。 四、 有限元模拟：Li-In合金柔性缓冲，彻底消解应力集中 为验证Li-In合金的应力缓冲机制，团队开展有限元模拟与原位压力测试：纯硅负极嵌锂时，刚性Li-Si合金无法释放膨胀应力，出现严重应力集中，颗粒极易破碎失效； 而In-Si负极中，Li-In合金杨氏模量仅4-28GPa，远低于硅和Li-Si合金，作为柔性缓冲层，可有效分散膨胀应力，降低电极内部应力波动。 原位压力测试数据证实： 相同初始堆叠压力下，纯硅负极充电后应力增幅达1.55MPa，而In-Si负极仅≈1.1MPa ，应力集中现象大幅缓解，从机理层面彻底解释了电极结构长期稳定的核心原因。 图5： 不同锂化状态下硅阳极和硅铟阳极的应力分布及演变情况。a) 锂化过程中硅阳极的应力演变情况。b) 锂化过程中硅铟阳极的应力演变情况。c) 完全充电状态下硅阳极相邻颗粒之间的接触应力。d) 在完全充电状态下，硅阳极相邻粒子之间的接触处会形成静电斥力。 【研究总结】 本研究成功开发基于Li-In合金混合导电网络的In-Si硅基负极，通过低温热处理实现熔融铟均匀包覆硅颗粒，充电过程中原位转化为三维离子-电子混合导电网络，一举攻克硅负极体积膨胀粉化、导电性差的两大行业难题。 该负极搭配硫化物电解质与NCM90高镍正极，实现 3C倍率下2000次循环98.5%容量保持率、6C快充80%容量保持率 的优异性能，高负载下面容量突破13.4 mAh/cm²，兼具快充、长循环、高负载三大核心优势。 Li-In合金不仅大幅提升电极离子/电子传导速率，更 作为柔性缓冲层缓解膨胀应力，维持电极结构完整性； 制备工艺兼容传统涂布产线，预锂化后首效达标，具备极强的实用化潜力，为高能量密度全固态电池硅基负极研发提供了可复制、可落地的全新技术路线。 【编辑评语】 从固态电池研发一线视角来看，这项成果的核心价值在于用低成本、易量产的金属合金设计，破解硅基负极难题，避开传统炭黑导电剂的弊端，机理清晰、数据扎实，极具工程参考与借鉴价值。 亮点突出：分步嵌锂机制设计巧妙，三维混合导电网络兼顾传导与缓冲，循环、快充性能均达到当前硅基固态负极顶尖水平；工艺简单、无特殊设备需求，直接适配现有锂电产线。 但是，铟金属成本偏高，可进一步优化铟含量或开发低成本合金替代；负极首效仍有小幅提升空间，可结合预锂化工艺精细化调控。后续可聚焦无压运行、低温性能优化，推动该技术更快迈向产业化。 【文献信息】 标题 A High‐Performance Silicon‐Based Anode Enabled by Hybrid Pathways for All‐Solid‐State Batteries 网址 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202502913 DOI 10.1002/aenm.202502913 其他 期刊： Advanced Energy Materials 作者： Ruijie Li; Junyi Zeng; Pengyu Wang; Tiancheng He; Li Rao; et al 出版日期： 2025-08-04