液态锂离子电池作为该领域的翘楚，凭借其快速充电、高能量密度及出色的稳定性等诸多优势，几乎渗透到所有现代电子设备中。然而，液态锂离子电池并非完美无瑕，两大显著缺陷尤为突出：一是使用寿命相对较短，例如手机等便携式设备往往需要每日一充；二是安全性存在一定隐患，在遭遇外力冲击或损坏时，可能会因电解液泄露引发爆炸或火灾。
面对这些挑战，科研人员将目光投向了固态电池领域，试图通过革新电池结构解决上述问题。固态电池的核心特征在于用不燃固体材料替代传统液态电解质，从而极大地提高了电池的安全性能。此外，固态电解质的应用还能够支持更高性能的正极和锂金属材料的使用，进而大幅提升电池的能量密度。
锂金属负极为当前固态电池研究的热点之一，因其具有最高的比能量，吸引了如英国牛津大学博士后研究员霍翰宇等众多科研工的关注。霍翰宇的研究揭示了固态锂金属电池内部存在的一个重大难题：锂金属与固态电解质接触界面的化学不稳定性和锂枝晶生长现象，这会导致电池在短期内出现短路故障。因此，霍翰宇调整研究方向，关注固态硅基电池，这种电池不仅拥有与锂金属相当的高比能量，而且生产成本更低，空气稳定性更优。硅负极材料的最大困扰在于充放电过程中的体积膨胀高达300%，这会在固-固界面上产生一系列问题，包括化学反应和接触失效。
为了深入理解硅体积变化对固态硅基电池性能的影响，霍翰宇及其团队在定量解析固-固界面化学反应速率的同时，针对充放电过程中体积变化引起的接触失效进行了细致的机理分析。他们创新性地提出一种解决方案——在固态硅基电池中加入一层聚合物改性层，如同海绵般吸收硅材料膨胀收缩带来的应力，并实现自适应调节，有效抑制固-固界面的化学反应和接触不良。
近日，霍翰宇作为第一兼共同通讯，在国际顶级期刊《Nature Materials》上发表了题为《固态电池中硅负极的化学机械失效机制》的重要论文[1]，这篇论文得到了德国尤斯图斯-李比希大学尤尔根·贾内克教授和德国马克斯·普朗克钢铁研究所迪尔克·拉贝教授的支持与指导。
尽管硅负极在固态电池中展现出广阔的应用前景，但目前即便采用聚合物改性技术，固态硅基电池在实际循环过程中仍需承受50兆帕的巨大压力，这对于商业化应用构成了不小挑战。为此，该团队正在致力于在保持良好循环性能的同时，降低运行所需的大压力，以期推动固态硅基电池的商业化进程更进一步。
霍翰宇的科研之路丰富多彩，他曾先后在加拿大、德国和英国等多国留学深造，多元化的学术环境赋予他独特的研究视角。不同国家的科研节奏和课题思考方式各异，北美地区侧重于性能与应用研究，而欧洲则更关注机理研究。这些跨文化的研究经历使霍翰宇得以结合应用与机理思维，全面推动固态电池领域的研究进展。
参考资料：
1. Huo, H., Jiang, M., Bai, Y. et al. Chemo-mechanical failure mechanisms of the silicon anode in solid-state batteries. Nature Materials. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-023-01792-x
https://pvbuzz.com/silicon-anodes-in-solid-state-batteries-enhanced-battery-performance/
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