鋰離子電池硅基陽極預(yù)鋰化研究進展

背景介紹硅基負極材料有著十倍于傳統(tǒng)石墨負極材料的比容量，其實際性應(yīng)用將有效提高全電池的能量密度，然而硅基負極材料在具有較大比容量的同時也存在著體積形變過大、首次庫倫效率較低、導(dǎo)電性能較差等缺點。為改善硅基負極材料的電化學(xué)性能，人們提出預(yù)鋰化的方法，即在電極首次循環(huán)之前使電極極片或是電極材料接觸額外的鋰源，使其預(yù)嵌鋰，以減少對來自正極的鋰離子的消耗。預(yù)鋰化技術(shù)可有效提高電池的首次庫倫效率，有著廣闊的應(yīng)用前景。文章亮點01.綜述了多種預(yù)鋰化方法在硅基負極領(lǐng)域中的應(yīng)用；02.對各種預(yù)鋰化方法目前存在的問題及發(fā)展前景進行了總結(jié)和展望。內(nèi)容介紹1化學(xué)預(yù)鋰化化學(xué)預(yù)鋰化分為高溫焙燒的熱化學(xué)預(yù)鋰化與普通溫度的預(yù)鋰化。熱化學(xué)預(yù)鋰化是將硅基材料與鋰源高溫焙燒，在高溫條件下觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，另一種為將金屬鋰溶解于有機溶劑中配備具有較強還原性的含鋰溶液，再通過氧化還原反應(yīng)將溶液中的鋰離子轉(zhuǎn)移到活性材料上?；瘜W(xué)預(yù)鋰化的概念是使用正丁基鋰對炭黑陽極進行預(yù)鋰化，使鋰離子電池的不可逆容量略有下降。2電化學(xué)預(yù)鋰化電化學(xué)預(yù)鋰化，分為內(nèi)部短路法與外部短路法。內(nèi)部短路法是將陽極材料與金屬鋰箔直接接觸進行預(yù)鋰化，金屬鋰化學(xué)電位較低，鋰箔與陽極材料接觸時觸發(fā)內(nèi)部短路進行預(yù)鋰化。內(nèi)部短路法預(yù)鋰化可自發(fā)的形成鋰硅合金，如下式所示[36]：3添加試劑預(yù)鋰化研究人員將硅與金屬鋰直接加熱，在高溫下發(fā)生合金化反應(yīng)制備了鋰硅合金納米顆粒（LixSi），具有較低的氧化還原電位和超高的比容量，可作為陽極材料直接使用，也可作為預(yù)鋰添加劑，且作為預(yù)鋰添加劑使用時不引入其他物質(zhì)，不會引起能量密度的降低。但由于LixSi具較高的反應(yīng)活性，暴露于空氣環(huán)境中容量會急劇削減，制備與保存過程都需要在無水環(huán)境中進行。為實現(xiàn)LixSi的實際性應(yīng)用，最重要的是提高LixSi的穩(wěn)定性。4穩(wěn)定金屬鋰粉（SLMP）穩(wěn)定金屬鋰粉（SLMP）預(yù)鋰化是目前最常用的預(yù)鋰化方法，金屬鋰的比容量為3860mA?h/g，具有超高的預(yù)鋰容量。SLMP目前主要由熔融分散和液滴乳化技術(shù)制備，由外部Li2CO3保護層，內(nèi)部金屬鋰組成，Li2CO3微溶于水，空氣中不潮解，能起到較好的保護作用。目前主要將SLMP分散于陽極上并加壓活化，SLMP預(yù)鋰化只需要在添加鋰粉之前計算好添加量，預(yù)鋰后無需清除殘留物質(zhì)，簡化了預(yù)鋰步驟，這對實際生產(chǎn)來說更具意義。5總結(jié)與展望過去的幾年中，預(yù)鋰化技術(shù)已經(jīng)成為補償高容量電極活性鋰損失的最常用方法。為推動預(yù)鋰化工藝的實際性發(fā)展，除了兼顧預(yù)鋰化工藝與現(xiàn)有電池制備工藝的兼容性與可拓展性之外，還需提高對預(yù)鋰化安全性的關(guān)注，需進一步對這些預(yù)鋰化方法進行優(yōu)化，以驗證其工業(yè)化的可能性。預(yù)鋰化處理后對電極的性能帶來了復(fù)雜的影響，為進一步推動預(yù)鋰化技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)在如下方面提起重視：預(yù)鋰化之后材料表面存有殘鋰以及其他惰性物質(zhì)，可能會引起副反應(yīng)；需對SEI膜的形成條件進行探索；應(yīng)進一步加強對預(yù)鋰反應(yīng)機理的研究；應(yīng)更好的優(yōu)化預(yù)鋰化過程，以控制形成的SEI膜的質(zhì)量和不可逆的硅酸鋰的形成條件；應(yīng)控制預(yù)鋰化后新增的相在電極材料中的均勻性；應(yīng)開發(fā)與預(yù)鋰化工藝相兼容的粘結(jié)劑，減少預(yù)鋰化后粘結(jié)劑失效帶來的影響。預(yù)鋰化技術(shù)可補償電極材料在首次循環(huán)