鋰離子電池硅基陽極預(yù)鋰化研究進(jìn)展

背景介紹硅基負(fù)極材料有著十倍于傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料的比容量，其實(shí)際性應(yīng)用將有效提高全電池的能量密度，然而硅基負(fù)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(diǎn)。為改善硅基負(fù)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(diǎn)01.綜述了多種預(yù)鋰化方法在硅基負(fù)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(jìn)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(jī)溶劑中配備具有較強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行。為實(shí)現(xiàn)LixSi的實(shí)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(hù)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(hù)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(jì)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(shí)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(bǔ)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(shí)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(jìn)一步對這些預(yù)鋰化方法進(jìn)行優(yōu)化，以驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行探索；應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對預(yù)鋰反應(yīng)機(jī)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(bǔ)償電極材料在首次循環(huán)