创新背景

对可持续能源的需求增加促使科学界将重点放在能够以可管理且可靠的方式存储大规模电网能源的电池研究上。主要依赖当前锂离子电池（LIBs）技术的电动汽车行业的需求不断增长，使当前的Li生产变得紧张，并将其从便携式消费电子产品中更广泛地使用转移。
目前，还没有一项技术被证明具有足够的竞争力来取代LIB。长期以来，能够在氧化过程中传递多电子的金属和元素一直是研究界关注的焦点，因为它们具有相关的高比能量密度。

创新过程

硅的丰度高且易于生产，但直到现在，甚少有人探索使用硅作为活性多价可充电阳极的可能性。以色列理工学院的研究人员为新型可充电硅（Si）电池开发了一种概念验证，以及其设计和架构，使Si能够可逆放电和充电。

材料科学与工程学院的Yair Ein-Eli教授带领团队进行研究，证明Si会在电池放电过程中溶解，并且在充电时被沉积。研究利用重掺杂的n型Si晶圆阳极和专门设计的混合基离子液体电解质，用卤化物（溴和碘）作为转换阴极，实现了几次放电-充电循环。
镁，钙，铝和锌作为潜在的负极材料受到广泛关注，具有不同程度的进展；然而，它们都没有设法在LIB之外彻底改变储能行业，因为所有这些系统都存在动力学性能差和电池稳定性不足的问题，因此，还有许多待探索的地方。

硅作为地壳中第二丰富的元素（仅次于氧气），尽管能量密度高达8.4 kWh kg-1，与金属Li 11.2 kWh kg-1相当，但仍相对未被开发;Si具有稳定的表面钝化，低电导率（取决于掺杂水平），并且到目前为止，在LIB合金阳极之外，还没有关于包含元素Si作为活性阳极的已建立的可充电电池化学。

研究设计了一种专注于轻度表面活化的新程序，减轻寄生腐蚀。研究指定非质子溶剂中不同浓度的氟化物有机盐组成电解质，产生的瞬变表明剥离天然Si-氧化物层所需的时间，并发现杂化电解质中4%v/v的组成足以快速表面活化。

为了检查Si氧化还原反应在离子液体电解质中的可逆性，研究集中在将溶解的卤化物作为正极材料的掺入上，用溶解溴作为阴极电解质。在混合电解质中找到最合适的阴极材料后，研究人员构建了一个可操作的全电池配置。

整体电池化学成分包括重掺杂的N型Si晶圆阳极，吡咯烷基离子液体，用于表面活化，以及溶解的溴作为活性阴极物种，四溴化硅（SiBr4）作为支持电解质和Pt箔作为集流体，在一锅电池配置中，没有阴极电解质分离。利用Si阳极的初级电池配置的结果，在没有Si盐支持电解质的情况下，会呈现相对平坦的1.1 V左右的恒电流放电曲线。

实验结果表明，在同一电池中涉及硅氧化还原反应的阴极和阳极过程都是可行的，并且硅氧化还原反应的相关过程是可逆的，尽管电池性能受到电解质降解的阻碍。

研究在相同组运行的电池循环之后进行硅晶圆HRSEM表征，通过表面形态的变化了解氧化还原机制。电池循环后表面面积逐渐覆盖，最终导致电池故障。研究人员发现硅表面的粗壮结构域离子液体中的硅电沉积相关，组运行产生了关于元素硅沉积物表面积覆盖的一致且可重复的结果。

混合电解质的NMR分析表明氟氢酸盐物种存在狭窄分布，负责Si表面活化。研究使用连续溶剂化模型SMD统计溶剂分子的互取和构象的大量变体，定量预测离子液体中任意带电和未充电分子的溶剂化自由能的正确性和偏好性。然后根据实验数据进行量子化学建模，进一步启发了推定的电还原机理。

可充电硅氧化还原电池以一种新的混合电解质为基础，可以可逆地支持同一电池形成中的硅电溶和电沉积过程。研究提供了首个利用活性硅阳极的可逆电化学电池的概念证明，为创新的混合电解质奠定了基础。

创新价值

新研究突破可以为丰富储能市场可用的电池技术铺平道路，该技术可能会缓解不断增长的市场压力，并满足对可充电电池日益增长的需求。