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Surface halogenation engineering for reversible silicon-based solid-state batteries

法拉第效率 卤化 电极 钝化 材料科学 电解质 纳米技术 化学工程 无定形固体 卤化物 表面改性 复合数 图层(电子) 锂(药物) 能量转换效率 相间 极化(电化学) 非晶硅
作者
Haosheng Li,Yaru Li,Guantai Hu,Ying Li,Caijin Xiao,Liang Zhao,Huiqin Huang,Haochang Zhang,Wei Xia,Ning Lin
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1): 1236-1236 被引量:4
标识
DOI:10.1038/s41467-025-67985-x
摘要

Silicon-based solid-state batteries are promising next-generation high-energy-density technologies. However, poor (electro)chemical compatibility between silicon negative electrodes and solid electrolytes (e.g., Li6PS5Cl) plus sluggish interfacial kinetics severely limits their reversibility and Coulombic efficiency. Here, we propose a surface halogenation strategy that transforms the native amorphous SiO2 passivation layer on silicon particles into a functional Al(Si)OCl composite surface via controlled reaction with AlCl3. This artificial interphase reconciles interfacial incompatibility and enables fast ionic/electronic transport, suppressing irreversible lithium loss. The optimized negative electrode achieves a high initial Coulombic efficiency of 94.3% in half-cells and 85.6% initial Coulombic efficiency (86.6% with pre-lithiation) in full cells paired with LiNi0.88Co0.09Mn0.03O2. Enhanced reversibility further delivers long-term cyclability. The optimized negative electrode delivers 86% capacity retention and 99.998% average Coulombic efficiency over 200 cycles. Even at high-loading ( > 10 mAh cm-2, and no adhesives/conductive carbon/electrolyte), it retains 72% capacity after 500 cycles. The full cells maintain 80% capacity after 200 cycles at 1 C, with an average Coulombic efficiency exceeding 99.95%. The versatility of this halogenation strategy underscores halide chemistry’s broad potential in advancing high-performance, reversible silicon-based solid-state batteries. Silicon negative electrodes in solid-state batteries exhibit poor reversibility. Here, the authors demonstrate surface halogenation engineering that suppresses irreversible lithium loss, achieving 94.3% initial Coulombic efficiency and 72% capacity retention over 500 cycles at 25°C.
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