锂离子电池在循环过程中会不可避免地发生活性锂损失，造成电池能量密度和循环寿命显著衰减。
近日，同济大学王超教授团队和麻省理工学院李巨教授团队在Energy & Environmental Science上发表论文，该工作提出了一种可控、持续的原位活性锂补充策略，这种创新的全生命周期锂离子补充方法确保了活性锂离子在电池使用寿命期间的持续和可控释放，有效减轻了初始活性锂损失(iALL)引起的容量损失和持续活性锂损失(cALL)引起的容量退化，从而显著延长了锂电池的循环寿命。该研究为高比能、长寿命锂离子电池的研发提供了新思路。
背景介绍
为满足不断增长的能源需求，发展高能量密度和长循环寿命的锂离子电池（LIBs）已成为电池研究的关键目标。目前商业化的LIBs通常使用石墨或硅碳作为负极材料，电池中的活性锂完全由正极材料提供。
然而，由于负极固态电解质界面（SEI）的形成，现有LIBs不可避免地存在活性锂损耗（ALL）的问题。ALL不仅发生在首圈充放电过程中，还随着电池的长期循环而持续存在，导致电池能量密度和循环寿命显著下降。
预锂化技术可以通过向电池中引入额外的活性锂来补偿电池的ALL。然而，在过去的研究中，人们一直专注于通过预锂化来弥补电池首圈容量损失（iALL），以提升能量密度，却很少关注电池在整个生命周期中持续发生的容量损失（cALL），从而忽视了预锂化对电池循环性能的影响。
本文亮点
亮点一：CNT导电网络提升Li2C4O4电化学活性
采用喷雾干燥法制备了颗粒细小、尺寸均一的Li2C4O4颗粒，并引入SWCNTs搭建导电网络，以提高Li2C4O4的电化学活性，同时有效降低分解电位。
亮点二：隔膜补锂抑制了FePO4对Li2C4O4催化分解并实现了优异电化学性能
通过隔膜补锂方式，降低正极与补锂剂的接触，减轻补锂剂分解对正极结构的损伤，同时抑制FePO4对Li2C4O4的催化分解作用，从而有效减少补锂后的碳残留，实现了卓越的电化学性能。
定量评估了电池中两种锂损失情况（iALL和cALL），通过预负载适量的活性锂，并通过充电截止电压和充电容量的控制，实现了活性锂的合理分配和按需释放，从而有效补偿iALL和cALL。
引入“锂补偿度”的概念，对补锂程度进行量化，并通过合理设计N/P比例，使过量锂储存在负极，实现了活性锂的自动缓释。
总结与展望
这项研究采用Li2C4O4-CNT复合材料作为补锂剂，设计了一种新型补锂隔膜，旨在提升锂离子电池的能量密度和循环寿命。相较传统正极补锂方式，提出的隔膜补锂方式具有显著优势，在全电池系统中成功补偿首圈锂损失(iALL)。
在此基础上，研究者提出了一种全生命周期补锂策略，解决了持续的活性锂损失(cALL)问题。通过提高锂补偿度(LRD)，在电池中保留额外的Li2C4O4作为锂库存，并在后续循环中通过调整充电容量和截止电压来控制释放，实现了电池全生命周期中持续的活性锂补充，有效延长循环寿命。
未来研究可通过电池管理系统(BMS)监测电池健康状态(SOH)，优化补锂点的设置，实现更高效和智能的全生命周期补锂。
此外，研究还提出了一种将活性锂储存在石墨负极中的策略，实现了电池全生命周期内自发且持续的锂补充，避免了后续的排气问题。这一研究为高能量密度和长寿命锂离子电池的发展提供了新的思路。
作者介绍
王超，上海市海外高层次人才“特聘专家”，上海市浦江人才计划获得者。博士导师为黄云辉教授，毕业后在麻省理工学院李巨教授组从事博士后研究，2021年入职同济大学材料科学与工程学院，特聘研究员、博导，主持国家自然基金青年基金，参与国家自然科学基金委员会重点研发项目一项。
在Adv. Mater，Energy. Environ. Sci.，Adv. Energy Mater等期刊上发表论文57余篇，论文总引用8000余次，5篇入选ESI高被引论文，获批PCT专利一项，申请中国专利6项。
通讯单位：同济大学，麻省理工学院
G. Liu, W. Wan, Q. Nie, C. Zhang, X. Chen, W. Lin, X. Wei, Y. Huang, J. Li and C. Wang, Energy Environ. Sci., 2024, DOI: 10.1039/D3EE03740A.
https://doi.org/10.1039/D3EE03740A
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