SEI是在電極表面形成的一層界面，是電池中電化學反應的重要組成部分，對電池的穩定性起著至關重要的作用?；钚圆牧?，尤其是那些有極高能量密度的材料，如硅(Si)，常常不可避免地接受大量離子的插入和脫出，提高能量密度的一個關鍵問題是，SEI如何與材料交互響應和演變，從而控制電池的循環穩定性。
一般認為，Si的容量衰減是由于固有的大體積變化和隨后SEI的重復循環積累引起的，這是這類材料的普遍預期。通常，體積變化會導致Si的開裂，SEI的破裂、再生和累積生長，以及伴隨的失去電接觸。這一觀點似乎是自洽的，解釋了大于臨界尺寸(通常為150 nm)的硅的容量衰減，但與納米硅的容量衰減不一致，其中材料的開裂問題被縮小的顆粒尺寸顯著減緩。
除電極級失效外，納米Si的容量衰減或多或少與材料表面SEI層的增厚有關，以及Si和Li等活性材料的逐漸損失和電化學-機械降解。然而，關于SEI在循環過程中對電極大體積變化響應的結構和化學動態演化的關鍵實驗證據仍然缺乏。
美國西北太平洋國家實驗室的王崇民研究員、李曉林研究員、賓州州立大學張宿林教授和洛斯阿拉莫斯國家實驗室Jinkyoung Yoo等人在Nature Nanotechnology上發表最新成果，從微觀角度給我們解讀了Si負極容量損失的根源。
在這里，作者在不銹鋼上上沉積Si納米線，與鋰組成電池，經過鋰化和去鋰化的循環后，作者通過集成敏感元素層析成像、先進的算法和低溫掃描透射電子顯微鏡，對Si的形貌和成分進行表征，作者揭示了硅和SEI的三維相關結構和化學演化。在化學力學模型的證實下，作者證明了在脫鋰過程中，由于空位產生和縮合，電解液沿著納米孔洞的滲流通道逐步滲透，導致SEI生長。因此，Si-SEI空間結構的發展從經典的前幾個周期的“核殼”結構到了后面長循環的“葡萄干布丁”結構，Si被SEI包圍為主要特征，這導致電子傳導通路的破壞和形成死Si，造成容量損失。這里的SEI與活性材料的空間耦合交互演化模型原則上適用于大容量電極材料，為修復大容量電極的衰落提供了重要的見解。
圖2. Cryo-STEM-HAADF圖像和EDS元素組成圖，以說明Si和SEI在循環過程中的結構和化學演變
圖3. Cryo-STEM-EDS成像技術研究了Si-SEI復合材料36次循環后的三維結構和元素分布
圖4. 用3D cryo-STEM-EDS從兩個方向分段觀察化學成分，以說明Si和SEI層的空間相關演化與電池循環
圖5. 基于微觀結構的鋰化/去鋰化周期SEI向內生長模型
He, Y., Jiang, L., Chen, T. et al. Progressive growth of the solid–electrolyte interphase towards the Si anode interior causes capacity fading. Nat. Nanotechnol. (2021).
https://doi.org/10.1038/s41565-021-00947-8
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