Nature子刊 | 通过低温电子显微镜揭示硅基全固态电池的界面失效机制-泽攸科技

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Nature子刊 | 通过低温电子显微镜揭示硅基全固态电池的界面失效机制

发布时间：

2026-01-06

在“双碳”战略目标和能源结构转型的政策驱动下，高安全、高能量密度的全固态电池（ASSB）被视为下一代储能技术的关键突破口，尤其在电动汽车与大规模储能系统中具有重大战略意义，然而硫化物基ASSB在实际应用中仍面临严峻技术瓶颈，其中电极/固态电解质界面的化学与电化学不稳定性是核心挑战。

因此面向产业化的ASSB发展急需从“界面阻抗调控”转向“界面反应机制精准抑制”的新范式。国家战略层面需强化对原子尺度界面结构表征和稳定界面设计的支持，推动从材料本征稳定性到电池系统集成的全链条创新，以实现高能量密度、长寿命、高安全全固态电池的工程化突破。

针对上述问题，由燕山大学、湘潭大学、安徽大学和南开大学等组成的团队利用泽攸科技的FIB冷冻传输系统进行了深入研究，研究团队首次通过低温电子显微技术揭示硅基全固态电池界面失效的真实机制——持续副反应导致活性锂耗尽而非传统认为的界面阻抗升高，为高能量密度全固态电池的界面设计提供了原子尺度的科学依据。

标题：Revealing interfacial failure mechanism of silicon based all solid state batteries via cryogenic electron microscopy
期刊：Nature Communications
网址：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64697-0

揭示界面失效新机制：活性锂耗尽而非高阻抗主导衰减

传统观点普遍认为全固态电池（ASSB）的容量衰减主要源于电极/固态电解质界面的高阻抗。然而该研究通过系统电化学表征（包括原位EIS与DRT分析）发现，在以微米硅（μ-Si）为负极、LGPS（Li₁₀GeP₂S₁₂）为电解质、NMC811为正极的ASSB中，尽管界面阻抗在循环后趋于稳定，电池容量却在300次循环后仅保留9.5%。研究团队据此提出颠覆性结论：真正导致失效的是界面持续发生的副反应不断消耗正极活性锂源，而非界面阻抗升高。这一机制的澄清为ASSB界面设计提供了全新的认知基础。

图1. 基于LSPSC和LGPS固态电解质的Si|SSE|NMC811电池的电化学测试

图2. 基于LGPS固态电解质的Si|SSE|NMC811电池在25°C、90 mA/g电流密度下循环100次后处于脱锂状态下的界面表征

原子尺度解析界面结构：低温电镜揭示反应层本质差异

为深入理解不同硫化物电解质与硅负极的界面行为，研究团队采用泽攸科技的FIB冷冻传输系统，将循环后的ASSB样品在严格隔绝空气（<0.01 ppm O₂/H₂O）条件下从手套箱无缝转移至低温聚焦离子束系统进行加工。借助该技术，成功在原子尺度上揭示：Si/LGPS界面形成厚达10–20 μm的反应层，富含针状Li₂S纳米晶、导电的Li–Ge合金及Li₃P，具有混合电子/离子导电性，导致副反应持续进行；而Si/LSPSC（Li₁₀Si₀.₃PS₆.₇Cl₁.₈）界面仅生成约150 nm厚的致密Li₂S纳米晶分散于非晶基体中，电子绝缘，有效钝化界面。FIB冷冻传输系统的关键作用在于保障了对空气极度敏感的硫化物界面在进入微观分析流程前结构与成分的真实性。

图3. 在25°C、90 mA/g电流密度下循环100次后处于脱锂状态的Si/LGPS界面的cryo-TEM图像和纳米结构

图4. 基于LGPS固态电解质的Si|SSE|NMC811电池在25°C、90 mA/g电流密度下循环100次后处于脱锂状态下的界面表征

界面反应动力学与锂消耗定量关联

研究进一步通过XPS、EELS和三维cryo-FIB重构，定量分析界面反应层中锂的消耗量。结果显示，Si/LGPS界面生成的厚反应层虽含大量未分解LGPS，但其持续反应消耗的锂远超电池容量损失所对应的理论值，证实锂源不可逆流失是容量衰减主因。相比之下，Si/LSPSC界面的薄层Li₂S仅消耗约18.6%的不可逆锂，其余损失源于硅颗粒内部“死锂”或表面氧化层。该定量关联凸显了界面化学稳定性对电池循环寿命的决定性影响，并验证了LSPSC作为界面稳定剂的有效性。

图5. 在25°C、90 mA/g电流密度下循环100次后处于脱锂状态的Si/LGPS界面的cryo-TEM图像和纳米结构

工程验证：LSPSC中间层显著提升电池循环性能

基于上述机制理解，研究团队在Si与LGPS之间引入LSPSC中间层，构建梯度界面。结果表明，该策略将300次循环容量保持率从9.5%大幅提升至69.1%，库仑效率亦提高至99.6%。这不仅验证了“抑制界面持续反应”优于“降低界面阻抗”的新设计范式，也展示了从机理认知到工程应用的闭环路径。而整个发现链的起点，对原始界面结构的保真解析高度依赖于泽攸科技的FIB冷冻传输系统在样品制备前端提供的关键惰性保护，为硫化物基全固态电池的界面科学提供了可靠技术支撑。

下图为该研究成果中用到的泽攸科技FIB冷冻传输系统：