1 导读

本研究针对全固态电池（ASSBs）中硅基负极的巨大体积变化问题，通过多物理场建模系统探究了SiO/碳复合负极的界面处理策略。研究发现：碳涂层通过调控界面电化学势梯度、降低残余锂浓度及均匀化锂离子分布，显著提升锂化动力学性能；较薄的碳涂层在平衡锂扩散路径与应力累积方面更具优势，可同步改善容量保持率和机械稳定性。惰性涂层虽能增强机械支撑，但存在锂传输动力学与应力调节的权衡，低杨氏模量材料可优化此矛盾。机械分析揭示负极-电解质界面以剪切失效为主，颗粒-涂层界面以拉伸失效为主，强调需针对不同界面特性设计差异化粘接策略。该工作为高稳定性硅基负极设计提供了电化学-力学协同优化的理论框架

2 背景介绍

全固态电池因其高能量密度和本征安全性被视为下一代能源存储的核心技术。其固态电解质替代易燃液态体系，不仅提升热稳定性，更能兼容硅基负极等高容量电极，其理论容量高达3,579 mAh/g，是传统石墨负极的十倍。但硅负极在全固态电池中的应用仍面临三大瓶颈：锂化过程中剧烈的体积膨胀、电极-电解质界面剥离及应力断裂，共同导致机械退化与容量衰减。尽管纳米结构化、复合结构（如硅/石墨混合）和固态电解质优化等策略取得进展，膨胀率更低且循环性能更优的氧化硅基负极在全固态电池中的研究仍显不足。

氧化硅负极的核心局限在于其电化学-力学权衡：固态体系缺乏液态电解质的界面润滑作用，导致锂离子传输效率低下，引发浓度梯度和锂残留，加速容量衰减；同时，氧化硅颗粒与刚性固态电解质的机械失配在循环中产生剪切/拉伸应力，造成界面分层与接触失效；此外，氧化硅与硫化物固态电解质可能存在副反应，凸显界面工程的关键性——特别是电极/电解质界面缓冲层的构建。碳包覆或机械自适应夹层等表面改性手段展现潜力：碳层提升界面导电性并调控锂化动力学，而力学优化涂层可改善应力分布。然而，针对氧化硅基全固态电池的系统研究仍缺失，尤其缺乏对电化学性能与应力动态协同作用的探索。现有工作多孤立分析电化学或机械行为，忽视了锂离子扩散-应力-降解的耦合反馈机制。

多物理场建模是解析此类复杂相互作用的有效工具。尽管现有模型揭示了液态体系中硅负极的行为，但专门针对全固态电池中氧化硅/固态电解质界面电-化-力耦合现象的模型仍不完善。传统模型常过度简化应力调制的锂离子传输或理想化界面结合，限制了其对实际失效机制的预测能力，阻碍了面向全固态电池的韧性氧化硅复合结构设计。

3 图文介绍

针对氧化硅负极、三元正极以及硫化物电解质的体系，研究抽象出了二维多场模型，并根据实验结果对模型进行了准确性验证（如下图所示）

图1：二维多场模型与颗粒表面涂层模型建立

图2：基础模型与实验结果对比

利用已验证模型，开展了三种关键性参数对于颗粒表面处理作用及相关机理的研究。首先研究了表面涂层材料种类，发现可嵌锂涂层更加有利于提高电池的电化学性能，主要体现在容量的提高。分析发现这主要是由于可嵌锂涂层与氧化硅材料之间平衡电势的相互作用，使得两种材料的嵌锂过程得到了均衡与改善。

图3：不同颗粒涂层材料的性能对比。（a）电压曲线与嵌锂深度曲线；（b）和（c）满电与空电状态下的SOC分布云图；（d）变形与界面作用力曲线；（e）和（f）满电与空电状态下的应力云图

进一步地，针对可嵌锂涂层的厚度以及非活性涂层的刚度这两个参数进行了参数化分析，发现对于可嵌锂涂层来说，涂层越薄电化学方面的性能改善效果越好，但是力学方面的膨胀约束与失效性能会有所下降，因此需要平衡两个方面做出选择。而对于非活性涂层来说，整体改善效果不如可嵌锂涂层，同时，非活性涂层的刚度越大，电池的整体电化学性能越差，力学方面呈现出非线性的规律，理论存在最优值。

图4：可嵌锂涂层不同厚度情况下的电池性能对比。（a）电压曲线与嵌锂深度曲线；（b）和（c）满电与空电状态下的SOC分布云图；（d）在不同厚度情况下的变形与界面作用力；（e）和（f）满电与空电状态下的应力云图

4 总结与展望

尽管氧化硅（SiO）基负极在全固态电池（ASSBs）中备受关注，但针对SiO-碳（C）复合结构及其界面处理的系统性研究仍显不足。现有工作常忽视SiO/电解质和SiO/涂层界面在高应力环境下的电化学-力学耦合复杂性。本研究通过多物理场建模（耦合锂离子扩散、电化学动力学及应力-应变相互作用），填补了这一空白，并得出关键结论：

1 SiO-C复合优化：碳涂层显著提升界面稳定性和锂化动力学，通过调控电势梯度减轻锂离子浓度不均及残余应力，改善容量表现；

2 涂层厚度效应：0.25μm薄碳层优化锂传输与应力分布，过厚涂层则加剧界面拉应力，凸显纳米级精度需求；

3 非活性涂层力学设计：需低杨氏模量（≤10.5GPa）以平衡机械约束与锂扩散效率，避免单次循环容量与长期耐久性的权衡；

4 界面失效机制：剪切应力主导负极-电解质剥离，法向拉应力引发颗粒-涂层层离，需针对性界面粘合策略；

5 多物理场耦合效应：应力调制的锂扩散与锂化体积应变相互影响，是电极退化的核心因素，强调耦合建模的必要性。

该研究不仅深化了对SiO-碳界面的理解，更为全固态电池提供了可落地的设计原则。未来需通过实验验证优化涂层方案及长循环测试，推动高能量密度电池的实际应用。

5 通讯作者

张希，上海交大机动学院智能汽车研究所所长，教授，博导，国家高层次人才计划获得者，汽车动力与智能控制国家工程研究中心副主任，上海交大人工智能研究院副院长。主要从事智能网联汽车环境感知与智能决策技术、新能源汽车电驱动及电力电子技术和新能源汽车智能电池管理与无线充电技术等研究。发表论文100余篇，出版学术专著2部，授权发明专利39项。主持承担了国家自然科学基金项目／重点国际合作项目／国家重点研发计划及一批产学研合作课题，研究成果获国家和省部级科技奖励。