中科院物理所王雪鋒王兆翔Small：界面調控提高預鋰化負極的（電）化學穩定性

【成果導讀】

鋰電池在循環過程中因其存在界面反應以及其他不可逆反應，不可避免地造成鋰損失，導致電池容量降低，循環壽命縮短。解決方法是使用預鋰化技術在電極正式充放電循環之前添加少量鋰源，彌補反應中過量消耗的鋰。然而，預鋰化材料/電極對空氣和電解液的反應性更強，導致不必要的副反應和污染，這使得預鋰化技術的實際應用變得困難。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心王雪鋒特聘研究員和王兆翔研究員（共同通訊作者）等人采用功能性溶液處理化學預鋰化電極片，利用上述兩者自發的化學反應形成人工界面保護層，其中通過改變功能性溶液的組分可以調控所制備的界面相結構和成分。電化學評估表明了這種人工界面結構的獨特優點，特別是氟化界面，它不僅增強了界面離子傳輸，還提高了預鋰化電極對空氣的耐受性。處理后的石墨電極的初始庫侖效率為129.4%，在3 C下的高容量為170 mAh g^-1，在1 C下200次循環后的容量衰減可以忽略不計。這些發現不僅提供了一種簡單、通用和可控的方法來構建人工界面膜，而且還啟發了一些先進電解液的使用和實際電池制造工藝的升級。相關成果以“Interphase Engineering Enhanced Electro-chemical Stability of Prelithiated Anode”為題發表在Small上。

【數據概覽】

圖1 溶液處理法原位生成人工界面層的技術路線及對預鋰化效果的影響。a）化學預鋰化和人工界面層制備工藝路線圖，b）預鋰化和人工界面層制備過程中電極界面變化，經過不同功能性溶液處理后石墨電極的c）XRD圖譜，d）測得的其中鋰含量，和e）組裝的紐扣電池開路電壓。

圖2 含不同人工界面層的預鋰化石墨電極的電化學性能。a）首周容量-電壓曲線，b）首周放電比容量（IDSC），首周充電比容量（ICSC）及補償鋰容量（CLC），c）首周庫侖效率（ICE），d）0.2C時的循環性能，e）倍率性能，f）在不同電流密度下的庫倫效率，范圍從0.2-3C；g）循環一周后阻抗譜圖，h）在1C條件下的長循環性能。

圖3 人工界面層的結構和成分。a）采用功能性溶液處理的預鋰化石墨電極上的人工界面層示意圖。人工界面層的b）C 1s和c）F 1s的XPS光譜；PGr-FF的d）S 2p和e）N 1s的XPS譜；PGr-PDE的f）P 2p的XPS譜，g）基于XPS譜所得Li、C、O和F的相對元素含量。

圖4 PGr-FF上人造界面層的微觀結構。a）HRTEM圖像、b）Li-K邊、c）C-K邊和d）F-K邊的EELS譜，e）STEM圖像以及f）Li、g）O、h）F和i）和它們重疊圖像的元素分布。

圖5 含有人工界面層的預鋰化極片對空氣穩定性和全電池性能。a）PGr-FEC、PGr-FF和EGr-0.14 V在空氣暴露10分鐘前后XRD圖譜。b）容量-電壓曲線和 c）使用暴露空氣后的PGr-FEC、PGr-FF和EGr-0.14 V半電池的循環性能。d）以LiFePO₄為正極組裝的全電池的循環性能。e）采用相同方法在納米Si負極表面構建人工界面層后的循環性能。

論文地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202305639

本文參考：http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/202309/t20230915_6882247.html