背景介绍

初始库仑效率(CE)是锂离子电池性能的重要指标,直接关系到电池后期循环的容量。在传统的锂离子电池中,在初始循环中形成的固体电解质界面(SEI)不可逆地消耗了一些活性锂离子,导致活性材料的不完全利用,降低了电池容量。这个问题在硅基LIBs中尤为严重。硅负极具有较高的理论容量(3579 mAh/g),是传统石墨负极(372 mAh/g)的10倍,在高能锂离子电池中具有很大的应用潜力。然而,由于纳米级硅的高表面积和与电解质的电化学不稳定性,硅在初始循环中会经历显著的SEI形成。因此,硅表现出50-80%的低初始CE,表明在初始循环后电池容量损失20-50%。因此,需要一种策略来补偿初始活性Li+损失并提高初始CE,以防止电池能量密度下降。

正文部分

01

成果简介

近日,斯坦福大学崔屹教授,提出了一种原位预锂化方法,直接将锂金属网集成到电池组件中。设计了一系列的锂网作为预锂化试剂,应用于电池制造中的硅负极,并在电解质的加入下自发预锂化硅负极。不同孔隙度的锂网调节预锂化量,精确控制预锂化程度。此外,图案式网格设计提高了预锂化的均匀性。通过优化预锂化量,原位预锂化硅基全电池在150次循环中容量提升了30%。这项工作提出了一种简单的预锂化方法来提高电池性能。该研究以题目为“In Situ Prelithiation by Direct Integration of Lithium Mesh into Battery Cells”的论文发表在国际顶级期刊《Nano Letters》上。

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02

图文导读

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【图1】原位预锂化设计。(a)在电池制造过程中,在硅负极上施加一层Li网的原位预锂化工艺示意图。(b)基于短路的原位预锂化反应机理。(c)硅负极原位预锂化前(上)和后(下)24h的数字照片。(d)硅负极原位预锂化前(上)和后(下)24h的SEM图像。(e)预锂化24h后Si颗粒的TEM和选定区域FFT图像。

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【图2】精确控制预锂化程度。(a)不同孔隙度的锂网的数码照片,从50%到80%不等;比例尺为5mm。(b)锂网的电压容量分布图,显示了这些网格中存储的锂容量。(c)使用不同孔隙率的Li网进行预锂化的多个硅样品的初始CE。(d)原始硅和p-70和p-80 Li网预锂化硅的首周充放电曲线。(e)原始硅负极和p-70锂网预锂化硅的循环性能(电流180 mA/g)。

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【图3】形态和化学均匀性。(a)Li网预锂化硅负极在中心(m-center)、边缘(m-edge)和下方(m-beneath)三个位置的SEM横截面图像。(b)锂片预锂化硅负极中心(d-center)和边缘(d-edge)两个不同区域的SEM横截面图像。(c)三种不同区Li网预锂化硅负极的Si 2p XPS光谱;(d)两种不同区锂片预锂化硅负极的Si 2p XPS光谱;(e)锂网预锂化和锂片预锂化过程中Li 1s和Si 2p原子浓度比。(f)在Li网预锂化和Li片预锂化过程中LixSi和Si原子浓度比。

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【图4】预锂化全电池的容量改进。(a-c)第一次循环(0.05C)和第五次循环(0.25C)的Si-LFP电池的电压分布图:原始Si(a),p-80 Li网预锂化Si(b)和p-70 Li网预锂化Si(c)。(d)使用原始Si, p-80 Li网预锂化Si和p-70 Li网预锂化Si的Si-LFP全电池前20次循环的库仑效率。(e)原始Si、p-80 Li网预锂化Si和p-70 Li网预锂化Si的全电池循环性能。

总结和展望

这项工作开发了一种原位预锂化方法来有效补偿电池不可逆的初始容量损失。该方法包括在电池制造中的硅负极上施加一层Li网,这可以在电池休息期间通过短路实现自发的预锂化。通过调整Li网的孔隙度,可以精确地控制预锂化容量。将Li网容量与初始容量损失相匹配,能够显著提高Si负极的初始CE,从70%左右提高到100%。在全电池中,硅负极的预锂化也使电池在150次循环后的容量提高了30%。此外,锂网的设计有利于锂扩散,以实现均匀的预锂化。这项工作为高能量密度硅负极的预锂化策略的发展提供了新的见解。

参考文献

Yufei Yang, Jiangyan Wang, Sang Cheol Kim, Wenbo Zhang, Yucan Peng, Pu Zhang, Rafael A. Vilá, Yinxing Ma, You Kyeong Jeong, and Yi Cui*. In Situ Prelithiation by Direct Integration of Lithium Mesh into Battery Cells, Nano Letters.

DOI:10.1021/acs.nanolett.3c00859

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00859

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《钠离子电池技术发展与产业前景研究报告》

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