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

材料科学 锗 固态 离子电导率 硅 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 jun Qian,Hongmin Zhou,Changhong Wang,Ning Lin
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:15 (40) 被引量:13
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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