Small:化学预锂化技术——基于预锂化硬碳负极构建高性能锂离子电池

锂离子电池广泛应用于便携式电子产品、电动汽车和新能源储存等领域。然而,受制于石墨负极较低的理论比容量(372 mAh g-1)和较差的倍率性能,现有的商品化锂离子电池在比能量和比高功率方面还无法完全满足实际应用需求。硬碳作为一种难石墨化碳,除了可以层间储锂之外,还可以通过缺陷吸附储锂,因此具有400-1000 mAh g-1的高比容量;此外,硬碳具有较石墨更大的层间距(0.36~0.38 nm Vs. 0.33 nm),锂离子在其层间的扩散更快,因此,硬碳负极具有优异的倍率充放电性能。然而,硬碳负极的比表面积较大,电解液在其表面的分解较为剧烈,导致硬碳负极的首周库仑效率较低(一般仅为40~70%)。低的库仑效率会造成活性锂的大量损耗,导致全电池容量的大幅下降,这一问题阻碍了硬碳材料的商业化应用。

为了解决这一问题,武汉大学艾新平、钱江锋课题组报道了一种简单高效的化学预锂化方法。他们采用萘锂试剂预锂化硬碳,完全消除了硬碳负极的首周不可逆容量。由于萘锂性质安全温和、锂化速度快,且可通过调节反应时间将锂化程度控制在理想的水平,因此,该锂化方法具有良好应用前景。研究发现,只需经4min预锂化处理,即可将硬碳负极的首周库伦效率从75.5 %提高到100 %;而且材料在比容量、倍率性能和循环稳定性等方面均有一定程度的提升。对电极表/界面的结构分析发现,预锂化后的硬碳电极与电解液接触后,会在电极表面预先生成一层富含LiF的SEI膜。由于所形成的表面膜致密均匀、界面阻抗较低,因此有利于锂离子的快速传输。基于预锂化硬碳负极和LiCoO2正极组装的全电池,其首周库伦效率高达95%;以1C倍率循环300周后仍具有80%的容量保持率,展示出高比能、高功率和长循环寿命的特性。该工作得到了国家自然科学基金No. 21773177和国家重点研究发展计划No. 2016YFB0100200的资助。相关工作在线发表于Small (DOI: 10.1002/smll.201907602)上。