科研进展丨时空耦合硫化学设计稳固超高容量硅负极界面，助力Si90+实用化

锂离子电池（LIBs）在信息终端、电动汽车（EVs）和清洁电力等大行业的发挥着支撑作用，正在迅速发展的低空电动飞行器（如电动垂直起降飞行器EVTOL）和人形机器人等新兴产业需要高能量密度的电池，应具备高能量密度（超过1,000 Wh/L）的同时具有较高的比能量（>400 Wh/kg）。硅基材料被公认为高能量锂离子电池的负极材料，近年来，高比容量负极材料已从硅-碳复合材料转向高硅含量（Si > 90 wt%，即Si90+）材料（图1）。由于高能量密度/比能量、完整的产业链以及优异的加工性能，高镍层状氧化物正极（如LiNi_0.9Co_0.05Mn_0.05O₂，简称NCM90）与高容量Si90+负极的组合被认为是一种突破现有电池技术的有效方案，如何在该类负极材料表面形成稳定且适应硅体积膨胀的界面层以保障电池长循环寿命特性是一个行业公认的难题。

松山湖材料实验室/中国科学院物理研究所黄学杰研究员与华中科技大学张恒教授合作提出了一种基于时空耦合硫化学（SSC）的非传统方法。该方法将界面调控剂预先嵌入Si90+负极中，并在后续电化学过程中释放，从而在由纳米级Si90+负极与高镍正极组成的电池体系中构建出稳定的界面电位层。通过在Si表面引入非晶碳和硫的双层包覆，预先植入的硫层可在负极腔室的受限区域中发生电化学还原，生成多硫化物中间体。这会立即引发电解质溶剂（如氟乙烯碳酸酯（FEC）和乙烯碳酸酯（VC））的一系列聚合反应，从而形成一种具有弹性且可离子渗透的固态电解质界面（SEI）层，能够充分覆盖Si90+负极表面。基于此，7.3 Ah NCM90||Si90+软包电池实现了优异的循环性能（例如，质量比能量达400 Wh kg⁻¹，体积比能量为1,190 Wh L⁻¹，循环寿命达1,700次），在能量密度、可持续性、成本效益及其他关键指标方面展现出全面优势（图1）。该文以Spatiotemporally coupled sulfur chemistry for stable silicon-90+ anodes为题目发表在《Nature communications》(10.1038/s41467-026-76591-4)上。松山湖材料实验室/中国科学院东莞材料所副研究员田孟羽为本文第一作者，松山湖材料实验室为文章的第一单位。锂离子电池团队已研发出新一代超高能量密度硅基负极电池。

图1 时空耦合硫化学的设计概念图。a) 硅负极在能源供应方面的历史演变，b) 时空耦合硫化学在硅负极表面的作用机制示意图，c) 三代电池技术的全面比较。

通过SEM、FIB、STEM、3D PFIB和in-situ Raman等多种表征手段证实，基于SSC的硅负极在100周后的电极膨胀率仅为9.4%，而参比硅负极的电极膨胀率高达近300%。3D PFIB显示了SSC-Si90+在多次循环后完整的SEI膜和电极结构，显示了SSC策略在维持SEI膜和电极完整性方面的有效性。此外，原位拉曼光谱显示，SSC层缓解了Si90+负极在初始过程中的应力蔓延，这对缓解硅负极的体积膨胀至关重要。从原子尺度到电极尺度的多维表征详细阐述了SSC策略在保护硅负极方面的综合作用（图2）。

图2 Si90+颗粒和电极的形貌演化。a) Si90+负极的横截面SEM图像，b, c) 100次循环后Si90+颗粒的EDS映射图，d) 利用PFIB采集的切片图像和对Si90+电极进行三维重构的示意图，e) Si90+电极从第1层到第100层的硅体积分数，f) Si90+电极中孔隙、OEM（非活性物质）及硅的体积分数，g) 在恒定电流密度0.36 mA cm−2、电压0.005–1.0 V条件下Si90+负极在锂化过程中的原位拉曼光谱，h, i) 原位拉曼电池的电压随时间变化曲线以及基于拉曼光谱计算出的硅颗粒应力演化趋势。

我们进一步通过7.3 Ah层叠软包电池对SSC-Si90+负极的实际可用性进行了评估。结果显示，基于SSC-Si90+的电池在循环寿命阈值（即初始容量的80%）方面明显更高，且电解液消耗量更少，例如：>1,700次循环（SSC）对比参考电池的700次循环，这表明薄硫层有效抑制了长期循环过程中的副反应和活性锂损失（图3）。图3系统地测定了三种电池技术在电池组和电动汽车层面的性能特征，第三代电池技术的代表——高镍层状氧化物与SSC-Si90+的新型化学组合，有望成为行业变革的关键。在相同电池组重量的前提下，NCM90||SSC-Si90+在电池组容量、体积、单次充电续航里程及总续航里程方面均展现出全面优势。与目前主流的车用动力电池相比，基于SSC的技术不会带来过高的材料成本负担，例如19.6欧元/千瓦时（LiFePO₄||石墨）对比27.8欧元/千瓦时（NCM622||石墨），以及29.1欧元/千瓦时（NCM90||SSC-Si90+），从而加速其在高能量锂离子电池和电动汽车领域的应用。此外，生产硅基负极材料的用电量远低于传统石墨生产，每生产1千瓦时硅基电池仅消耗约十分之一的电能[例如，0.91千瓦时（NCM90||Si90+）对比9.27千瓦时（石墨基电池）]。这在很大程度上缓解了此前人们对锂电池生产在环境影响与经济效益之间平衡问题及环境保护方面的担忧。

图3 时空耦合硫化学的实际应用。a) 7.3 Ah的NCM90||Si90+软包电池在2.75–4.25 V工作电压下的循环性能，b) 本研究组装的NCM90||Si90+软包电池的关键参数，c) NCM90||Si90+软包电池的光学图像，d) 不同改性方法下多种NCM||Si软包电池的能量密度和循环寿命对比，e, f) LiFePO₄||石墨、NCM622||石墨及NCM90|| Si90+电池在pack容量、pack体积、单次充电行驶里程、总行驶里程、成本及生产过程中的电耗方面的比较。

https://www.nature.com/articles/s41467-026-76591-4