Silicon‐Germanium Solid Solutions with Balanced Ionic/Electronic Conductivity for High‐Rate All‐Solid‐State Batteries

材料科学 固态 离子电导率 离子键合 固溶体 工程物理 快离子导体 电导率 化学工程 纳米技术 光电子学 离子 物理化学 冶金 电极 电解质 有机化学 化学 工程类
作者
Yaru Li,Shengjie Xia,Guantai Hu,Haosheng Li,Yong Qian,Hongmin Zhou,Changhong Wang,Ning Lin
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:15 (40) 被引量:3
标识
DOI:10.1002/aenm.202503265
摘要

Abstract Silicon (Si) is a promising anode for all‐solid‐state batteries (ASSBs) due to its high capacity, but it suffers from low initial Coulombic efficiency (ICE) and poor rate performance. Here, a series of Si–Ge solid solution anodes is synthesized via high‐energy ball milling. Incorporating isomorphous Ge, which has a lower band gap and larger atomic radius, enhances electronic conductivity and induces lattice distortion to broaden Li + diffusion pathways. The optimized Si 7 Ge anode achieves balanced electron/ion conductivities (3.4 × 10 −5 /2.34 × 10 −5 S cm −1 ), which are markedly superior to those of pure Si (8.1 × 10 −8 /3.13 × 10 −6 S cm −1 ). This dual enhancement enables efficient lithiation/delithiation and stable interfacial contact. As a result, the Si 7 Ge anode delivers a high ICE of 89.4%, a reversible capacity of 2631 mAh g −1 , and favorable rate performance (2024 mAh g −1 at 3 C). In full cells with a LiCoO 2 cathode, an ICE of 88.0% and 100 mAh g −1 at 2 C are achieved. An all‐solid‐state pouch cell with the Si 7 Ge anode demonstrates stable cycling over 100 cycles at 0.33 C, highlighting its potential for practical ASSBs applications. This work offers a promising route to overcome Si anode limitations through rational alloy engineering.
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