Unveiling Challenges and Opportunities in Silicon‐Based All‐Solid‐State Batteries: Thin‐Film Bonding with Mismatch Strain

材料科学 阳极 电解质 电极 薄膜 阳极连接 复合材料 离子键合 离子电导率 电化学 纳米技术 离子 化学工程 光电子学 量子力学 物理 工程类 物理化学 化学
作者
Mingcai Zhao,Juan Zhang,Carlos M. Costa,S. Lanceros‐Méndez,Qi Zhang,Wei Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (4): e2308590-e2308590 被引量:42
标识
DOI:10.1002/adma.202308590
摘要

Li-metal and silicon are potential anode materials in all-solid-state Li-ion batteries (ASSBs) due to high specific capacity. However, both materials form gaps at the interface with solid electrolytes (SEs) during charging/discharging, resulting in increased impedance and uneven current density distribution. In this perspective, the different mechanisms of formation of these gaps are elaborated in detail. For Li-metal anodes, Li-ions are repeatedly stripped and unevenly deposited on the surface, leading to gaps and Li dendrite formation, which is an unavoidable electrochemical behavior. For Si-based anodes, Li-ions inserting/extracting within the Si-based electrode causes volume changes and a local separation from the SE, which is a mechanical behavior and avoidable by mitigating the strain mismatch of thin-film bonding between anode and SE. Si electro-chemical-mechanical behaviors are also described and strategies recommended to synergistically decrease Si-based electrode strain, including Si materials, Si-based composites, and electrodes. Last, it is suggested to choose a composite polymer-inorganic SE with favorable elastic properties and high ionic conductivity and form it directly on the Si-based electrode, beneficial for increasing SE strain to accommodate stack pressure and the stability of the interface. Thus, this perspective sheds light on the development and application of Si-based ASSBs.
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