電池已成為現代技術不可或缺的一部分。鋰離子電池（LIB）幾乎隨處可見，從手持電子設備和電動汽車，到可再生能源發電系統中使用的大型移動電源。然而，目前的LIB設計存在一些嚴重的缺陷，包括耐用性低和使用有毒液體電解質。

為了解決這些限制，科學家們已經研究全固態電池十多年了。雖然硅基全固態電池在理論上應該比傳統的LIB更耐用，但在實現這一目標之前，仍有一個未解決的挑戰。

當硅（Si）基全固態電池經歷充電/放電循環時，負極Si電極會反復膨脹和收縮。這會對電極和堅硬的固體電解質之間的界面施加很大的機械應力，導致前者最終破裂、脫落，并遭受不可逆轉的性能下降。

據外媒報道，在此背景下，由日本同志社大學（Doshisha University）教授Takayuki Doi領導的研究小組探索出一種有前途的全固態電池解決方案。相關研究論文發表于期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。正如論文中所解釋，研究人員在氧化硅（SiOx）電極上增加孔隙，以期是否可以防止因硅電極中出現的膨脹和收縮引起的開裂和剝落問題。

圖片來源：期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》

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

為了驗證這一的假設，研究人員通過射頻濺射合成了多孔SiOx電極，并用它們制造了各種全固態電池，使用Li-La-Zr-Ta-O（LLZTO）作為固體電解質。研究人員使用先進的掃描電子顯微鏡技術詳細分析了獲得的孔結構，并研究了它們與電池在反復充電/放電循環后的整體性能之間的相關性。

有趣的是，與無孔SiOx相比，多孔SiOx電極的循環性能要好得多，無孔SiOx在循環后容量會大幅下降。顯微鏡觀察清楚地解釋了納米尺度上發生的事情。

“到第20次循環時，無孔SiOx會從LLZTO電解質中部分脫落，這與我們觀察到的容量急劇下降和內阻上升一致，”Doi博士說。

“相比之下，盡管最初觀察到的多孔SiOx孔隙結構因反復膨脹和收縮而坍塌，但剩余的孔隙仍可作為緩沖內部和界面應力的緩沖。這最終有助于維持電極和電解質之間的界面連接。”

全固態電池中Si和SiOx電極的一個緊迫限制是，它們的厚度必須保持極低（小于一微米），以防止開裂和剝落。然而，在SiOx中添加孔隙后，即使在厚度為5 µm的SiOx薄膜中也可以獲得穩定的充放電循環。

這意味著空間效率將大幅提升，因為單位體積可以儲存更多能量。“我們獲得的更厚的SiOx薄膜使負極的能量密度比傳統的無孔硅電極高出約17倍，”Doi博士強調道。

總之，這項研究的結果揭示了如何利用多孔結構來釋放全固態電池的真正潛力。鑒于此類儲能設備在家庭和工業規模的能源生產中具有廣闊的應用前景，它們將在規劃走向可持續社會的道路上發揮關鍵作用。

此外，由于全固態電池的安全性更高、使用壽命更長，因此它可以讓電動汽車成為消費者更具吸引力的選擇。

“我們希望這一研究成果能夠為可持續發展目標做出多方面的貢獻，不僅在基于減少碳排放的氣候變化應對措施方面，而且在經濟增長和城市發展方面，”Doi博士在分享總結性想法時補充道。

為充分優化固體SiOx電解質的多孔結構，研究人員還需要進一步研究，以實現全固態電池的最大性能。幸運的是，這一激動人心領域的未來發展將帶來儲能領域急需的突破。