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From Passive Cocoon to Active Metamorphosis: High‐Current‐Driven Evolution of Silicon for Ultrastable Anodes

阳极 法拉第效率 材料科学 纳米技术 电化学 电池(电) 无定形固体 原位 非晶硅 相(物质) 数码产品 电极 纳米电子学 化学工程 相变 光电子学 超短脉冲 半导体 过渡金属
作者
Kaixiang Chen,Yujian Shen,Chaolong Yang,Mengqi Ma,Wenhong Ruan
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/ange.3879325
摘要

ABSTRACT The commercial viability of silicon anodes in lithium‐ion batteries remains heavily impeded by severe volume expansion, unstable solid‐electrolyte interphases (SEI), and the necessity for restrictive low‐current pre‐lithiation. While improving initial Coulombic efficiency (ICE), low‐current activation accelerates progressive capacity decay over extended cycling and prevents fast‐charging. Furthermore, conventional nanostructuring operates on a paradigm of mere passive containment, leaving root electrochemical instabilities fundamentally unresolved. Inspired by butterfly metamorphosis, we introduce a biomimetic electrochemical paradigm. Analogous to endogenous enzymes driving transformation within a protective cocoon, we employ an initial high current as an “electrochemical enzyme” to trigger the controlled size reduction of Si confined within a covalent organic framework (COF) “cocoon.” Regulated by this architecture, the high‐current pulse drives controlled Si pulverization, synchronously realizing in situ pre‐lithiation and generating a stable amorphous Li‐Si phase via a comprehensively elucidated synergistic mechanism. Benefiting from this structural evolution, the engineered anode exhibits superior robustness. It retains 74.5% and 71.9% capacity over 2000 cycles at 10 000 and 20 000 mA g −1 , respectively, and successfully accommodates extreme fast charging (118 s). By conceptualizing a transition from passive containment to active in situ regulation, this study unveils a transformative design paradigm for high‐energy, high‐power battery materials.
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