Realizing long-cycling silicon-based all-solid-state batteries with near-zero-stress variation

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作者
Xusheng Zhang,Xusheng Zhang,Jici Wen,Zhenzhen Shen,Xin Zhang,Xin Zhang,Jianxin Tian,Ruizhi Liu,Zehui Zhang,Kai-Xiang Zhou,Shuang‐Yan Lang,Wenpeng Wang,Sen Xin,Li-Jun Wan,Yujie Wei,Li-Jun Wan,Yu‐Guo Guo
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:12 (35): eaef3043-eaef3043
标识
DOI:10.1126/sciadv.aef3043
摘要

Silicon anodes present a compelling alternative to lithium metal for all-solid-state batteries (ASSBs), offering high capacity without dendrite risks. However, their application is hindered by incomplete understanding of electro-chemo-mechanical (ECM) failure mechanisms in all-solid-state configurations. Through multiple in situ characterizations combining optical microscopy, atomic force microscopy, and pressure monitoring, this work uncovers fundamental stress-mediated degradation pathways in silicon-based ASSBs. Stress evolution-particularly in-plane strain mismatch and out-of-plane mechanical constraints-governs the dominant failure criterion, superseding traditional volume change metrics. This stress-dominated mechanism arises from the interplay between volume and modulus in constrained all-solid-state systems. Guided by these insights, complementary mitigation strategies were developed, including electrode/electrolyte modulus engineering to reduce interfacial stresses and elastic constraint design to accommodate mechanical fluctuations. The synergistic implementation achieves near-zero stress variation and breakthrough cycling stability (90.1% capacity retention after 5000 cycles). This work establishes a paradigm for high-energy-density batteries, shifting the design focus from volume accommodation to comprehensive stress management in all-solid-state systems.
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