锂离子电池的预锂化技术

发布者:admin    发布时间:2021-04-14    点击率:214

锂离子电池(LIBs)由于具备高能量密度、高工作电压和无记忆效应等特点成为广泛应用的电化学储能系统之一,其常用的石墨负极由于容量相对较低(372 mAh g-1)而难以完全满足日益提升的市场需求。在过去几十年中,研究人员提出了多种新型负极材料,这些材料通常表现出理想的电势范围、更高的容量、优异的倍率性能以及长的循环寿命等优势,但具有初始活性锂损失较大(ALL)这一不足。因此,在全电池组装之前,如何消除ALL对实现高性能LIBs来说至关重要。在近几年发展过程中,用于下一代LIBs的新型负极材料逐渐开始商业化,因此对消除ALL至关重要的预锂化技术研究成为一个重要的研究方向。


【工作介绍】

近日,同济大学郑俊生副研究员联合纽约州立大学布法罗分校郑剑平教授在国际顶级期刊Advanced Science上综述了预锂化技术的研究进展,金黎明博士研究生为本文第一作者。该综述首先从理论上阐述了引起负极容量损失的主要原因及其对全电池性能的影响,然后总结、分类和详细比较了解决此类问题的各种预锂化技术的优劣势,对具有代表性的电化学预嵌锂策略的研究进展进行了详细的综述,最后对当前预锂化技术面临的挑战进行了系统的分析和展望。这个综述从新的视角重新评估预锂化技术的重要性,比较已经提出的预锂化技术,为后续锂离子电池预锂化技术的研究提出研究方向。


【内容表述】

1.负极高初始活性锂损失的起因

负极的高初始ALL发生在前几个循环中,库伦效率较低(CE < 100%),这表明负极中残留了一些Li+,导致LIBs中可循环的Li+数量下降。当与正极匹配时,减少的可循环Li+将不可避免地导致整个电池的能量密度降低。图1显示了负极材料典型的嵌入/插入、转化和合金化锂存储机制,这些材料主要表现出相对较低的电势,且其容量比商业化石墨和Li4Ti5O12高得多,但这些材料的首圈库伦效率通常是低于80%,导致较低的库伦效率机制,负极初始ALL的原因通常可分为SEI的形成、活性材料材料的损失以及死锂的出现等。

图2. 负极初始活性锂的损失对锂离子电池能量密度的影响


2. 负极活性锂损失的影响

在实际应用的LIBs中,一些可循环的Li+被消耗用于负极表面上形成SEI,导致首圈较低的CE,进而导致电池的快速容量衰减。图2所示,这个过程中电极的可逆容量没有降低,当将额外的锂源添加到系统中时,电池的比容量将恢复到到理想情况。引入额外的锂源将抵消预嵌锂带来的特定能量增益,通过理论计算分析详细阐明较高的初始ALL对全电池比容量损失的影响,可得出基于负极、正极和锂源总质量的比能为

图2显示了不同的额外锂源对比能的影响。展现出对于初始CE分别为50%、70%和90%的不同负极的锂源,R关于锂源(cls)比容量函数。可看出,随着cls的增加,R因子增加,而CE的降低将导致R因子的较低。还可看出,当cls大于cc时,需要使用锂源能够有效地提高能量密度,这些结果的分析针对不同的体系可以加入更详细的参数。