AEM:热蒸发预锂化技术在锂离子电池Si负极上的实际应用

基于锂金属的预锂化技术在Si电极中的实际适用性

AEM:热蒸发预锂化技术在锂离子电池Si负极上的实际应用
使用Si作为负极材料的锂离子电池(LIB)比最先进的石墨基LIB具有更高的能量密度。然而,体积膨胀和相关动态表面的挑战导致固体电解质界面的连续(重新)形成、活性锂损失(ALL)和快速容量衰减。当Si与高容量但活性较高的富镍正极(如NCM-811)搭配使用时,电池故障会进一步加速。
AEM:热蒸发预锂化技术在锂离子电池Si负极上的实际应用
在此,德国明斯特大学Aurora Gomez-Martin、Egy Adhitama等人评估了基于锂金属的预锂化技术在基于粉末的Si电极中的实际适用性,以应对上述挑战。具体而言,作者采用锂热蒸发技术在微米级Si电极(µ-Si)上沉积锂金属(所需厚度≈1 μ m),得到的电极简称为“preLi µ-Si”。作者将该电极在双电极和三电极配置的锂金属电池和全电池配置(NCM-811正极)中进行了评估,这对于评估实际相关性和更全面的电化学分析是必要的。
在本研究中,使用Si基负极与富镍NCM-811正极非常重要,因为这些材料有可能提高LIB的能量密度。进一步,作者还讨论了Li利用率(预锂化程度)和分布,研究了不同的电极容量平衡(N/P比)及其与能量密度的权衡。
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图1. preLi µ-Si的形貌及通过热蒸发沉积锂的示意图
通过对不同N/P比的深入研究,作者发现1.2的N/P比会导致严重的容量损失,因此,选择6.8的N/P比作为“更安全”的选择。同时,NCM-811||preLi µ-Si全电池(25%的预锂化程度)可获得更高的≈192 mAh g-1的初始放电容量和77%的容量保持率,而NCM-811||µ-Si全电池容量仅为160 mAh g-1 且保持率为63%。
此外,作者强调了关于预锂化的电池寿命和能量密度之间权衡的评论,介绍了活性材料水平的比能计算并与SOTA石墨基LIB进行了比较。虽然预锂化方法确实可以补偿初始和持续的ALL,但它仍无法解决其主要挑战(即体积膨胀)。尽管如此,本研究中讨论的现象将为使用锂金属热蒸发作为Si负极预锂化技术的研究提供一定的指导,以达到未来可应用包含Si作为负极的最佳电池系统(即使用1.03~1.2的N/P比)而不牺牲稳定性的地步。
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图2. µ-Si/preLi µ-Si电极循环后的横截面SEM分析
On the Practical Applicability of the Li Metal-Based Thermal Evaporation Prelithiation Technique on Si Anodes for Lithium Ion Batteries, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202203256

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