电池已成为现代技术不可或缺的一部分。锂离子电池（LIB）几乎随处可见，从手持电子设备和电动汽车，到可再生能源发电系统中使用的大型移动电源。然而，目前的LIB设计存在一些严重的缺陷，包括耐用性低和使用有毒液体电解质。

为了解决这些限制，科学家们已经研究全固态电池十多年了。虽然硅基全固态电池在理论上应该比传统的LIB更耐用，但在实现这一目标之前，仍有一个未解决的挑战。

当硅（Si）基全固态电池经历充电/放电循环时，负极Si电极会反复膨胀和收缩。这会对电极和坚硬的固体电解质之间的界面施加很大的机械应力，导致前者最终破裂、脱落，并遭受不可逆转的性能下降。

据外媒报道，在此背景下，由日本同志社大学（Doshisha University）教授Takayuki Doi领导的研究小组探索出一种有前途的全固态电池解决方案。相关研究论文发表于期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。正如论文中所解释，研究人员在氧化硅（SiOx）电极上增加孔隙，以期是否可以防止因硅电极中出现的膨胀和收缩引起的开裂和剥落问题。

图片来源：期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》

该研究由日本同志社大学的Kohei Marumoto博士和日本日立高科技公司（Hitachi High-Tech Corporation）的Kiyotaka Nakano博士共同撰写。

为了验证这一的假设，研究人员通过射频溅射合成了多孔SiOx电极，并用它们制造了各种全固态电池，使用Li-La-Zr-Ta-O（LLZTO）作为固体电解质。研究人员使用先进的扫描电子显微镜技术详细分析了获得的孔结构，并研究了它们与电池在反复充电/放电循环后的整体性能之间的相关性。

有趣的是，与无孔SiOx相比，多孔SiOx电极的循环性能要好得多，无孔SiOx在循环后容量会大幅下降。显微镜观察清楚地解释了纳米尺度上发生的事情。

“到第20次循环时，无孔SiOx会从LLZTO电解质中部分脱落，这与我们观察到的容量急剧下降和内阻上升一致，”Doi博士说。

“相比之下，尽管最初观察到的多孔SiOx孔隙结构因反复膨胀和收缩而坍塌，但剩余的孔隙仍可作为缓冲内部和界面应力的缓冲。这最终有助于维持电极和电解质之间的界面连接。”

全固态电池中Si和SiOx电极的一个紧迫限制是，它们的厚度必须保持极低（小于一微米），以防止开裂和剥落。然而，在SiOx中添加孔隙后，即使在厚度为5 µm的SiOx薄膜中也可以获得稳定的充放电循环。

这意味着空间效率将大幅提升，因为单位体积可以储存更多能量。“我们获得的更厚的SiOx薄膜使负极的能量密度比传统的无孔硅电极高出约17倍，”Doi博士强调道。

总之，这项研究的结果揭示了如何利用多孔结构来释放全固态电池的真正潜力。鉴于此类储能设备在家庭和工业规模的能源生产中具有广阔的应用前景，它们将在规划走向可持续社会的道路上发挥关键作用。

此外，由于全固态电池的安全性更高、使用寿命更长，因此它可以让电动汽车成为消费者更具吸引力的选择。

“我们希望这一研究成果能够为可持续发展目标做出多方面的贡献，不仅在基于减少碳排放的气候变化应对措施方面，而且在经济增长和城市发展方面，”Doi博士在分享总结性想法时补充道。

为充分优化固体SiOx电解质的多孔结构，研究人员还需要进一步研究，以实现全固态电池的最大性能。幸运的是，这一激动人心领域的未来发展将带来储能领域急需的突破。