中科院物理所王雪锋王兆翔Small：界面调控提高预锂化负极的（电）化学稳定性

【成果导读】

锂电池在循环过程中因其存在界面反应以及其他不可逆反应，不可避免地造成锂损失，导致电池容量降低，循环寿命缩短。解决方法是使用预锂化技术在电极正式充放电循环之前添加少量锂源，弥补反应中过量消耗的锂。然而，预锂化材料/电极对空气和电解液的反应性更强，导致不必要的副反应和污染，这使得预锂化技术的实际应用变得困难。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心王雪锋特聘研究员和王兆翔研究员（共同通讯作者）等人采用功能性溶液处理化学预锂化电极片，利用上述两者自发的化学反应形成人工界面保护层，其中通过改变功能性溶液的组分可以调控所制备的界面相结构和成分。电化学评估表明了这种人工界面结构的独特优点，特别是氟化界面，它不仅增强了界面离子传输，还提高了预锂化电极对空气的耐受性。处理后的石墨电极的初始库仑效率为129.4%，在3 C下的高容量为170 mAh g^-1，在1 C下200次循环后的容量衰减可以忽略不计。这些发现不仅提供了一种简单、通用和可控的方法来构建人工界面膜，而且还启发了一些先进电解液的使用和实际电池制造工艺的升级。相关成果以“Interphase Engineering Enhanced Electro-chemical Stability of Prelithiated Anode”为题发表在Small上。

【数据概览】

图1 溶液处理法原位生成人工界面层的技术路线及对预锂化效果的影响。a）化学预锂化和人工界面层制备工艺路线图，b）预锂化和人工界面层制备过程中电极界面变化，经过不同功能性溶液处理后石墨电极的c）XRD图谱，d）测得的其中锂含量，和e）组装的纽扣电池开路电压。

图2 含不同人工界面层的预锂化石墨电极的电化学性能。a）首周容量-电压曲线，b）首周放电比容量（IDSC），首周充电比容量（ICSC）及补偿锂容量（CLC），c）首周库仑效率（ICE），d）0.2C时的循环性能，e）倍率性能，f）在不同电流密度下的库伦效率，范围从0.2-3C；g）循环一周后阻抗谱图，h）在1C条件下的长循环性能。

图3 人工界面层的结构和成分。a）采用功能性溶液处理的预锂化石墨电极上的人工界面层示意图。人工界面层的b）C 1s和c）F 1s的XPS光谱；PGr-FF的d）S 2p和e）N 1s的XPS谱；PGr-PDE的f）P 2p的XPS谱，g）基于XPS谱所得Li、C、O和F的相对元素含量。

图4 PGr-FF上人造界面层的微观结构。a）HRTEM图像、b）Li-K边、c）C-K边和d）F-K边的EELS谱，e）STEM图像以及f）Li、g）O、h）F和i）和它们重叠图像的元素分布。

图5 含有人工界面层的预锂化极片对空气稳定性和全电池性能。a）PGr-FEC、PGr-FF和EGr-0.14 V在空气暴露10分钟前后XRD图谱。b）容量-电压曲线和 c）使用暴露空气后的PGr-FEC、PGr-FF和EGr-0.14 V半电池的循环性能。d）以LiFePO₄为正极组装的全电池的循环性能。e）采用相同方法在纳米Si负极表面构建人工界面层后的循环性能。

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

本文参考：http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/202309/t20230915_6882247.html