研 究 背 景

锂离子电池受限于能量密度，已难以满足电动飞行器、人工智能及陆地装甲车辆等领域的应用需求。硅负极凭借高比容量、低嵌锂电位与储量丰富等优势成为理想候选材料，但巨大的体积膨胀与固态电解质界面（SEI）持续增厚问题严重制约其产业化应用；纳米化改性虽可缓解体积效应，却会加剧界面副反应与非均匀SEI生成。构建多维复合材料是改善硅负极性能的有效手段，金属有机框架（MOF）衍生碳因导电性与多孔结构优势被广泛应用，但其易团聚的缺陷会阻碍Li⁺传输、造成硅颗粒孤立，且复合电极循环过程中易发生结构破坏与界面劣化。同时，理想SEI需兼具高机械稳定性、快离子传导与化学惰性，但电解液自发还原形成的SEI结构疏松、力学性能差，难以适配硅负极反复嵌/脱锂带来的体积形变。现有研究表明，通过电解液优化、粘结剂设计以及电极结构改性等策略可实现SEI界面特性的有效调控。其中，富含LiF、Li₂O等无机组分的SEI能够提升界面力学稳定性、锂离子输运能力与钝化质量，被认为是理想的SEI。然而，由于电极/电解质界面反应路径复杂且影响因素众多，实现SEI中关键无机组分的精准组成与结构调控仍面临较大挑战。

成 果 介 绍

本文利用原子层沉积（ALD）技术在Si/C复合材料表面精准沉积了均匀的Li₂O功能层，实现了对SEI生长行为的可控调控。预构建的Li₂O保护屏障通过均匀界面锂沉积通量、诱导含氟组分定向还原，最终诱导形成了以Li₂O/LiF为主要成分的无机一体化杂化SEI。该成果以“ALD Derived Li₂O Layer Stabilizing Solid Electrolyte Interphase of Silicon/Carbon Anodes for Lithium Storage”为题发表在Carbon Energy上。

研 究 亮 点

1. 杂化SEI显著优化了锂通量分布均匀性，提升了膨胀应力的区域协调性；

2. 赋予电极更高的机械强度与更快的Li⁺扩散动力学，既缓解了局部扩散应力的累积，又促进了Li⁺在电极/电解质界面的高效传输。

3. Li₂O衍生的杂化SEI可同时实现有效的电解质隔离与更强的机械稳定性，从根本上抑制了SEI破碎引发的电解液持续分解。

4. Li₂O改性硅负极的首次库仑效率提升了17.7%，兼具优异的循环稳定性与倍率性能（4 A g^-1电流密度下比容量可达866 mAh g^-1）。

图 文 解 析

图1：（A）Li₂O层制备流程及其稳定电极/电解液界面的示意图；（B）硅碳复合材料的SEM图像；（C） SCC-Li₂O-2的TEM图像；（D-F）SCC-Li₂O-0.5、SCC-Li₂O-2、SCC-Li₂O-5复合材料的能谱图；（G-I）SCC、SCCLi₂O-2、SCC-Li₂O-5的高分辨TEM图像。采用ALD技术在硅碳复合材料表面精准构筑不同厚度的Li₂O界面修饰层，有助于调控电极界面反应、优化SEI结构，抑制副反应并弥补活性锂损耗。

图 2：（A-C）飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）测试中SCC-Li₂O-2复合材料的6Li⁺、LiO⁺、Li₃O⁺信号二维分布图；（D-G）循环后SCC样品的O 1s、F 1s、C 1s、Li 1s谱图；（H-K）循环后SCC-Li₂O-2样品的O 1s、F 1s、C 1s、Li 1s谱图。ALD工艺可在硅碳复合材料表面成功构筑Li₂O修饰层，该修饰层能够调控电解液还原行为，诱导生成富含Li₂O/LiF 的致密稳定复合SEI，可有效优化电极/电解质界面离子导电性与结构稳定性。

图3：（A-C）不同溅射时间下SCC负极的O 1s、F 1s和Li 1s强度等高线图；（D-F）不同溅射时间下SCC-Li₂O-2负极的O 1s、F 1s和Li 1s强度等高线图；（G，H）不同元素相对比例的柱状分布图；（I）C 1s高分辨XPS光谱；（J）F 1s高分辨XPS光谱。Li₂O界面可构建组分均匀、结构致密的复合SEI，有效阻挡电解液向内侵蚀、抑制电解液分解与腐蚀性副产物生成，减少有机相富集与活性锂不可逆损耗，同时缓解循环过程中界面反复破损-重构问题，保障电极界面长期稳定。

图4：（A）SCC和SCC-Li₂O-2负极的首次充/放电曲线；（B，C）在0.5 A g^-1和2 A g^-1下的循环性能；（D，E）峰1和峰2的电流密度与扫描速度平方根的拟合曲线；（F）时间-电压曲线；(G)放电过程中的Li⁺扩散系数。(H)倍率性能。(I)综合电化学性能雷达图。(J)全电池的循环性能。适宜厚度的Li₂O界面可显著降低硅碳负极首圈活性锂损耗、提升首次库伦效率，优化界面离子传输与反应动力学，大幅改善循环及倍率性能；涂层过薄难以有效缓冲体积形变，过厚则会增大Li⁺扩散阻力。

图5：（A，D）SCC和SCC-Li₂O-2负极的放电曲线与原位电化学阻抗谱（EIS）；（B，E）DRT转换后阻抗数据的局部分布曲线；（C，F）DRT转换后的二维强度分布图；（G，H）不同温度下的DRT转换图；（I）活化能Li₂O涂层可稳定电极界面反应，降低SEI阻抗与电荷转移阻抗，减小Li⁺迁移活化能与扩散能垒，有效提升界面反应动力学。

图6：（A，C）SCC和SCC-Li₂O-2负极的C、O、F和Si元素叠加图像；（B，D）SCC和SCC-Li₂O-2负极的F元素分布图像；（E，H）F 1s高分辨率XPS光谱；（F，I）O 1s高分辨率XPS光谱；（G，J）C 1s高分辨率XPS；（K-N）LiO^-、LiF₂^-、CHO₂^-和Li^-的飞行时间二次离子质谱三维重建图像；（O）LiO^-、LiF^-和CHO₂^-的三维叠加图像。循环稳定性得益于预构筑组分均匀、结构致密稳定的Li₂O/LiF复合SEI，有效抑制电解液持续分解、稳定电极界面结构并保障Li⁺均匀传输，规避了自然SEI反复破裂重构、界面腐蚀、死锂堆积与结构劣化问题。

图7：（A，D）SCC和SCC-Li₂O-2负极的表面三维形貌；（B，E）SCC和SCC-Li₂O-2负极的杨氏模量二维分布图；（C，F）SCC-Li₂O-2的杨氏模量分布；（G，K）SCC和SCC-Li₂O-2循环前的表面形貌；（H，L）SCC和SCC-Li₂O-2循环后的表面形态；（I，M）SCC和SCC-Li₂O-2循环前的截面形貌；（J，N）SCC和SCC-Li₂O-2循环后的截面形貌。Li₂O诱导产生的均质高模量复合SEI可显著提升电极界面力学强度与结构稳定性，有效缓冲体积膨胀、抑制电极开裂粉化与厚度异常膨胀，规避长循环过程中的结构坍塌问题，保障了电极优异的循环稳定性。

图8：（A，B）SCC和SCC-Li₂O-2负极表面电位的二维分布图像；（B，E）SCC和SCC-Li₂O-2负极的Li⁺扩散通量；（C，E）SCC和SCC-Li₂O-2负极的应力分布图像；（G）SCC负极自然形成的SEI示意图；（H）SCC-Li₂O-2负极Li₂O衍生的SEI示意图。预构筑的富Li₂O复合SEI能够均匀电极界面电势与锂通量、缓解浓度梯度与局部应力集中，避免界面电荷堆积与应力过载引发的SEI失控生长与结构破损。通过同步优化离子输运行为与力学缓冲效果，实现硅碳负极界面动力学与长循环结构稳定性的双重提升。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

ALD Derived Li₂O Layer Stabilizing Solid Electrolyte Interphase of Silicon/Carbon Anodes for Lithium Storage

文章研究方向：

锂离子电池

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70302

DOI: 10.1002/cey2.70302

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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