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清華大學(xué)伍暉&李曉雁最新Nature Energy 高性能可擴(kuò)展鋰離子電池預(yù)鋰化方法！

時間：2023-06-09 來源：瀏覽：

清華大學(xué)伍暉&李曉雁最新Nature Energy 高性能可擴(kuò)展鋰離子電池預(yù)鋰化方法！

原創(chuàng) Energist 能源學(xué)人

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收錄于合集

第一作者：Cheng Yang, Huachun Ma

通訊作者：伍暉，李曉雁

通訊單位：清華大學(xué)

【研究亮點】

預(yù)鋰化可以提高鋰離子電池(LIB)的性能，因此迫切需要一種具有高質(zhì)量和高工業(yè)兼容性且經(jīng)濟(jì)高效的預(yù)鋰化策略。本文作者開發(fā)了一種用于鋰離子電池負(fù)極連續(xù)預(yù)鋰化的卷對卷電沉積和轉(zhuǎn)印系統(tǒng)。通過卷對卷壓延，預(yù)制負(fù)極可以完全轉(zhuǎn)印到電沉積鋰金屬上。轉(zhuǎn)印過程中的界面分離和粘附分別與界面剪切和壓應(yīng)力有關(guān)。通過簡便的轉(zhuǎn)印預(yù)鋰化，石墨和硅/碳復(fù)合電極半電池分別實現(xiàn)了99.99%和99.05%的高初始庫侖效率，同時全電池的初始庫侖效率和能量密度在使用預(yù)鋰化電極后也有顯著增加。

【主要內(nèi)容】

盡管人們在鋰離子電池領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究并取得了快速進(jìn)展，但向電動汽車的廣泛應(yīng)用受到有限行駛里程的限制，而行駛里程則由鋰離子電池能量密度控制。在過去的十年中，進(jìn)一步提高鋰離子電池能量密度一直是一個關(guān)鍵且具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。對于鋰離子電池，負(fù)極上固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）的形成會消耗大量鋰離子，導(dǎo)致初始庫侖效率低，能量密度衰減嚴(yán)重。此外，對于下一代高能量密度硅基負(fù)極，由于納米結(jié)構(gòu)硅負(fù)極中形成的SEI的表面積增加，鋰損失可能會更嚴(yán)重地?fù)p害能量密度。在過去的十年中，預(yù)鋰化被認(rèn)為是解決活性鋰損失問題和提高下一代鋰離子電池能量密度的有效途徑。預(yù)鋰化策略通過各種鋰源引入額外的活性鋰離子，這些額外的鋰離子有助于SEI的形成，最終導(dǎo)致能量密度的提高。然而，各種預(yù)鋰化方法受到其復(fù)雜性、可行性低或缺乏普適性的限制，人們期待并迫切需要一種經(jīng)濟(jì)高效、可控且工業(yè)適應(yīng)性強(qiáng)的負(fù)極預(yù)鋰化方法。

鑒于此，清華大學(xué)伍暉教授和李曉雁教授課題組開發(fā)了一種卷對卷電沉積和轉(zhuǎn)印工藝來生產(chǎn)不同類型的預(yù)鋰化負(fù)極，并介紹了它們在提高鋰離子電池能量密度方面的應(yīng)用。通過優(yōu)化電沉積參數(shù)，將可控量的鋰沉積在集電器上。同時利用沉積鋰和負(fù)極層之間的強(qiáng)結(jié)合力，采用電極轉(zhuǎn)印工藝將活性材料轉(zhuǎn)移到電極上。利用這種方法，研究人員成功制備了預(yù)鋰化石墨和硅/碳(Si/C)復(fù)合負(fù)極。兩種負(fù)極均表現(xiàn)出提高的初始庫侖效率并具有穩(wěn)定的循環(huán)性能。預(yù)鋰化電極可進(jìn)一步有效改善Li(NiCoMn) _1/3 O ₂ (NCM)和LiFePO ₄ (LFP)全電池的初始庫侖效率和能量密度（預(yù)鋰化石墨||NCM電池初始庫侖效率 89.39%，能量密度380.2?Wh?kg ^?1 ，預(yù)鋰化石墨||LFP電池庫侖效率 95.88%，能量密度329.6?Wh?kg ^?1 ）。通過有限元模擬和理論建模，作者揭示了轉(zhuǎn)印過程中的界面分離和粘附分別與界面剪切應(yīng)力和壓力有關(guān)，從而為后續(xù)實驗和工業(yè)應(yīng)用提供了指導(dǎo)設(shè)計。另一方面，本文進(jìn)一步建立了低成本且高效的卷對卷電沉積和轉(zhuǎn)印系統(tǒng)（RET）用于預(yù)鋰化電極的連續(xù)生產(chǎn)。該策略可以普遍適用于制造各種電極，可與當(dāng)前的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)完美對接。本文提出的卷對卷轉(zhuǎn)印系統(tǒng)為鋰離子電池提供了一種高性能、可控、可擴(kuò)展和工業(yè)適應(yīng)性強(qiáng)的預(yù)鋰化方法。