全固态电池（All-Solid-State Battery）被普遍认为是下一代具有颠覆性潜力的电池技术，在新能源汽车、电网储能、航空航天等领域前景广阔。其核心吸引力在于：能量密度被期待有望迈向 600 Wh/kg 量级，显著高于当前主流液态锂电池单体约 200–300 Wh/kg；同时，固态电解质有望减少可燃液态电解质带来的热失控风险，为安全性提供新的改进路径。
但从科学原理走到可规模制造的产品，仍需跨越工程化与产业化的“死亡之谷”：材料要稳定、工艺要可复制、成本要可控。其中一个常见“卡点”在材料界面——电极与固态电解质接触处那层几微米甚至几纳米的区域，能否长期稳定、低阻抗地传输离子。以硅负极配硫化物固态电解质为例，这一界面问题尤为突出。
近日，甬江实验室与宁波东方理工大学联合研究团队在《自然-通讯》(Nature Communications )发表成果，提出一种简洁可控的表面卤化工程，用于重构硅负极与硫化物固态电解质的界面：一方面抑制界面副反应、提升首圈库仑效率（ICE）；另一方面将动力学导致的“捕获锂”（K‑Li）占比从 1.5% 降至 0.1%，为硅基全固态电池实现高可逆、稳定循环提供了可验证的界面解决思路。
硅（Si）负极理论比容量高达 3579 mAh/g，是高能量密度路线的重要候选；作为合金型负极，相比锂金属路线也有望在一定程度上规避枝晶相关风险。
然而在硫化物固态电解质（如 Li₆PS₅Cl，LPSC）中，硅体系长期受困于两点：界面副反应与传输迟缓。它们会带来两类不可逆锂损失：一类是被副反应与界面层生长“吃掉”的锂（C‑Li）；另一类是由于动力学受限、锂“进得去却难出来”的捕获锂（K‑Li）。
这两类损失叠加，使初始库仑效率（ICE）与循环效率难以提升，容量也难以充分释放。
表面卤化策略减轻不可逆锂损失的机制示意图。通过对（a）原始硅负极和（b）Si@AlCl₃负极的比较分析，展示了全固态电池结构中硅基负极不可逆锂损失的来源。该示意图表明，不可逆锂损失主要源自两种不同的机制：SEI 造成锂消耗（C-Li）和动力学“捕获锂”（K-Li）。
破题之道：表面卤化重构硅界面
团队把突破口选在硅表面常见的无定形二氧化硅（a‑SiO₂）薄层上：它不利于界面传输，也可能放大副反应风险。
科研人员选用三氯化铝（AlCl₃）作为表面修饰剂，利用其与a‑SiO₂的反应驱动力，实现从“绝缘/惰性表面”到“功能界面层”的转变。具体做法是将微米硅与不同含量AlCl₃混合后，在 180℃密封热处理2小时完成卤化反应；电化学筛选表明 10 wt% 时综合性能最优，材料记为 Si@AlCl₃。
表征显示，原始硅表面约 5–10 nm 的a‑SiO₂层被消除，形成结晶态的 Al(Si)OCl复合层（并伴少量残留AlCl₃）。此外，FeCl₃、TaCl₅等卤化物也能带来提升，说明该策略具有一定通用性。
卤化反应的验证实验及 Si@AlCl₃的结构与元素表征。(a) 非晶二氧化硅 (a‑SiO₂) 与三氯化铝 (AlCl₃) 之间卤化反应示意图及反应方程式；(b) a‑SiO₂、AlCl₃ 及反应产物(SA) X射线衍射图谱；(c) 原始Si与Si@AlCl₃ 的拉曼光谱；(d) Si和Si@AlCl₃的 X 射线光电子能谱Si 2p 谱图，以及Si@AlCl₃的 (e) Cl 2p 和 (f) Al 2p 谱图；(g) Si 表面的高分辨透射电子显微镜图像及 (h) 二维能量色散 X 射线谱元素分布图；(i) Si@AlCl₃颗粒表面的高分辨透射电子显微镜图像及 (j) 二维能量色散 X 射线谱元素分布图，及相应的快速傅里叶变换结果。
固态电池研究里，性能曲线能看到“结果”，但更难的是讲清“原因”：不可逆锂到底来自副反应还是传输受限？它们在电极内部如何分布？若说不清，优化就容易停留在经验试错。
为把这笔账算清，团队采用两种互补手段联合定量：中子深度剖析（NDP）无损解析锂在电极中的深度分布；气相色谱（GC）利用K‑Li可与乙醇反应生成H₂、而C‑Li不表现同样反应活性的差异，实现两类不可逆锂的区分与定量。
量化结果显示：纯硅负极中，C‑Li与K‑Li分别为 9.9% 和 1.5%；经表面卤化后，Si@AlCl₃负极的C‑Li降至 7.5%，K‑Li进一步降至 0.1%。
与此同时，电化学阻抗给出一致指向：半电池拟合电荷转移电阻（Rct）从 189 Ω 降至 27 Ω，说明界面传输显著改善。也就是说，这一策略并非只是在“压副反应”，而是把界面化学稳定性与传输动力学两条主线同步改善，并形成相互印证的证据闭环。
不可逆锂损失研究。(a) Li-In|LPSC|Si@AlCl₃和 Li-In|LPSC|Si 的恒电流充放电曲线；(b) Si@AlCl₃||NCM 和 Si||NCM 的恒电流充放电曲线（LIC 指 Li₃InCl₆）；(c) 原始Si与Si@AlCl₃ 负极对应的首次库伦效率及硅负极充电比容量比较结果；(d) 脱锂后Li-In|LPSC|Si@AlCl3 和 Li-In|LPSC|Si 电池负极侧的中子深度剖析结果；(e) 气相色谱样品制备示意图、测试结果及不可逆锂分布；(f) 不可逆锂的分布与比例示意图。(g) 多次循环后硅基负极样品的制备示意图；(h) 50次循环后脱锂态微米硅负极的X射线光电子能谱Li 1s谱分析；50次循环后(i) 嵌锂态 μSi@AlCl₃ 和 (j) 脱锂态μSi@AlCl₃ 电极的Li 1s谱分析。上述电池均在3500mA g⁻¹ 电流密度和25°C下进行恒电流循环。嵌锂态指相对于Li⁺/Li-In参比电极在-0.6V下的完全放电状态，脱锂态指在1.4V下的完全充电状态。
在性能层面，Si@AlCl₃带来的不是单一指标的改善，而是在工程更关心的维度上形成协同提升。
首先是初始效率：半电池首圈库仑效率（ICE）由 88.4% 提升至 94.3%；与NCM正极配对的全电池中，ICE从 79.2% 提升至 85.6%（在特定恒流-恒压 CC‑CV 条件下可进一步提高），表明首圈不可逆损耗得到缓解。
其次是循环稳定性：在 3C 倍率下循环200次，容量保持率从纯硅的 14% 提升至 86%，平均库仑效率可达 99.998%。
更重要的是，在更接近高能量密度设计的高负载（>10 mAh cm⁻²）等苛刻条件下，Si@AlCl₃电极仍表现出明显优于对照的稳定性；论文还给出了无粘结剂、无导电碳、无额外电解质等更严格电极配置下的对比结果。
整体来看，当界面更稳定、传输更顺畅、不可逆锂损耗被压低时，硅负极的高容量优势才更有机会转化为可持续的可逆容量与循环寿命。
基于卤化物盐驱动改性策略的硅基全固态电池电化学性能。(a) Li-In|LPSC|Si@AlCl₃和 Li-In|LPSC|Si 在25°C和10.5A g⁻¹条件下的循环性能比较，以及(b) 相应的平均库仑效率和累积库仑效率。(c) 高负载（>10mAh cm⁻²，见图S43）条件下Li-In|LPSC|Si@AlCl₃与Li-In|LPSC|Si在25°C和5.1 mA cm⁻²下的循环性能比较，以及(d) 相应的平均库仑效率和累积库仑效率。(e) 预锂化后Si@AlCl₃||NCM在25°C下的恒电流充放电曲线。(f) 采用NCM正极的硅基全固态电池的初始库仑效率统计。(g) Si@MClₓ（M=Al, Ta, Bi, P, Fe, Nb, Sb）的综合性能统计与以往报道的硅基负极在全固态电池中的结果比较。
面向未来，AI时代讨论算力，最终离不开能源底座：数据中心、机器人、智能终端的持续进化，都需要更高能量密度与更高可靠性的储能支撑。固态电池的上限来自材料体系，而其“可用性”往往由界面这类细节决定。这项研究所体现的科学精神，正是把复杂问题拆开、把关键变量量化、用证据闭环推动技术前进——为固态电池跨越工程化关口，也为更强算力时代的能源想象，增添了一块扎实的基石。
本论文第一单位为甬江实验室。论文第一作者为甬江实验室博士后、宁波东方理工大学访问学者李皓盛，通讯作者为甬江实验室林宁、宁波东方理工大学夏威。合作团队包括中国原子能科学研究院肖才锦团队、浙江大学黄慧琴等。研究得到国家自然科学基金、浙江省重点研发计划、浙江省自然科学基金、浙江省博士后科学基金等资助。
甬江实验室多维度功能碳材料研究组
致力于开展在多物理场（热场、电场、磁场以及压力场等）下功能碳材料/器件的精准制备，探索碳基材料的新物相、新结构、新性能。基于材料原子尺度精准制备技术，调控碳碳键杂化态制备多维度碳材料，实现力、电、热等物理性能的多功能组合，探索其在能源、环境、结构材料等领域的应用。
研究方向：非常规条件下碳基功能材料/器件的精准制备以及生长机理的解析；二次电池（液、固态）材料的结构/界面设计、机理解析和可控宏量制备；高性能电芯（圆柱/软包）的设计以及新材料应用一体化解决方案的开发；电极材料/电解质的理论设计、离子/电子传输的多尺度模拟、人工智能辅助开发新材料。
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