💡这项突破是什么?
近日，力学所与化学所合作，结合多模态原位表征与电化学–力学耦合模拟，揭示了硅基全固态电池中固态电解质开裂的应力驱动机制，并通过模量调控与弹性约束设计显著提升了电池的循环稳定性。相关成果以“Realizing long-cycling silicon-based all-solid-state batteries with near-zero-stress variation”为题，发表于国际期刊Science Advances。
全固态电池是发展高安全性、高能量密度储能器件的重要方向。硅负极具有高理论比容量和资源丰富等优势，但充放电过程中的显著体积变化，在固固接触与外部堆压约束下会产生复杂应力，容易引发固态电解质开裂和界面损伤，破坏离子传输通道。因此，理解电解质断裂的发生机制并维持其结构完整性，是提升硅基全固态电池循环稳定性的关键。
研究团队通过原位光学显微镜、原位原子力显微镜和压力监测，追踪了裂纹、颗粒变形、材料模量及整体压力的演化。实验观察到，充电过程中裂纹在硅负极与固态电解质界面附近萌生，放电过程中进一步增宽、扩展并连通，伴随结构损伤、压力松弛与容量衰减（图1）。电化学–力学耦合模拟进一步表明，硅负极与固态电解质之间的面内应变失配产生拉伸应力，驱动电解质缺陷处裂纹萌生与扩展；厚度方向的刚性约束则加剧面内变形与损伤。
基于上述机制，团队提出两种协同调控策略：通过预锂化降低负极与固态电解质的模量比，缓解面内拉伸应力和界面应变失配；通过弹性约束容纳厚度方向的变形，减小应力波动并抑制裂纹扩展。仿真与实验共同验证了两种策略对减轻电解质损伤、维持结构稳定性的作用。
实验结果表明，协同调控后的电池在0.1C充放电条件下，应力变化率的绝对值均低于5 kPa/h，实现近零应力变化。在室温下，电池于0.5C循环500次后的容量保持率为99.3%；在3C条件下循环2000次和5000次后，容量保持率分别为98.6%和90.1%（图2）。该研究明确了固态电解质断裂与电池循环稳定性之间的联系，为通过应力管理减轻结构损伤、延长硅基全固态电池循环寿命提供了力学依据。
化学所张旭升、力学所温济慈和化学所沈珍珍为共同第一作者，文锐研究员、魏宇杰教授和郭玉国研究员为共同通讯作者。该工作得到中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目支持。
论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.aef3043
图1固态电解质裂纹演化及其与应力、体积变化的关联。
上排从左至右依次为初始状态、充电中期、充电结束、放电中期和放电结束时的原位显微图像；左下为充放电过程中电压、应力、裂纹面积及颗粒体积的演化，右下为裂纹面积、体积和应力变化速率的对比。
图2 模量与约束协同调控抑制损伤并提升循环稳定性。
左上为不同负极/电解质模量比下的应力与开裂情况，右上为刚性与弹性约束下的损伤对比；中排左侧为近零应力变化，右侧为0.5C下500次循环性能；下排左侧为3C下5000次循环性能，右侧为与已报道全固态电池的容量保持率对比。
