清華新聞網(wǎng)8月8日電 二次鋰離子電池是目前最受關(guān)注也是應(yīng)用最廣泛的電化學(xué)儲(chǔ)能器件之一。鋰離子電池?fù)碛懈吣芰棵芏取⒏吖ぷ麟妷?、無(wú)記憶效應(yīng)以及極慢的自放電速率等顯著的優(yōu)點(diǎn)，并已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)以及大規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域。然而，目前商業(yè)鋰離子電池的能量密度仍然無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)長(zhǎng)續(xù)航、高極限里程產(chǎn)品的需求。
在鋰離子電池中，在首圈循環(huán)中負(fù)極上形成的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）會(huì)消耗大量鋰離子，導(dǎo)致初始庫(kù)侖效率（ICE）的降低和能量密度的急劇下降。目前，許多新型的低電位高比容量負(fù)極材料被逐漸發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，但是這些材料往往面臨相當(dāng)嚴(yán)重的初始容量損失。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究者們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基于不同機(jī)制的預(yù)鋰化方法。預(yù)鋰化策略通過(guò)各種鋰源引入額外的活性鋰離子，有助于形成SEI層，并最終提高電池的能量密度。
清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉教授課題組與航天航空學(xué)院李曉雁教授課題組密切合作，研發(fā)了一種全新的連續(xù)電沉積轉(zhuǎn)印預(yù)鋰化技術(shù)，提出利用卷對(duì)卷裝置連續(xù)電沉積鋰金屬層作為預(yù)鋰化鋰源，并結(jié)合轉(zhuǎn)印電極方法，成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)鋰化負(fù)極的連續(xù)化低成本制備（見(jiàn)圖1），同時(shí)結(jié)合數(shù)值模擬和理論分析揭示了轉(zhuǎn)印過(guò)程中的力學(xué)機(jī)制（見(jiàn)圖2），并建立了定量的理論模型。這些研究成果為鋰離子電池預(yù)鋰化技術(shù)提供了新思路和新機(jī)遇。
圖1.連續(xù)卷對(duì)卷預(yù)鋰化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建
圖2.轉(zhuǎn)印過(guò)程中的力學(xué)機(jī)制
該方法通過(guò)調(diào)控電沉積參數(shù)，使精確可控的鋰沉積在集流體上。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。利用該技術(shù)，成功制備了預(yù)鋰化的石墨負(fù)極和硅碳復(fù)合材料負(fù)極，將其初始庫(kù)侖效率提升至接近100%，并保證了良好的穩(wěn)定性以及更好的倍率性能。預(yù)鋰化電極可大幅度提高鎳鈷錳三元氧化物和磷酸鐵鋰全電池的初始庫(kù)倫效率和能量密度。通過(guò)有限元模擬研究了界面分離與粘合的過(guò)程，研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)印過(guò)程中產(chǎn)生的剪切應(yīng)力促進(jìn)了界面的分離，從而實(shí)現(xiàn)了電極層的轉(zhuǎn)印。在此基礎(chǔ)上，基于有限變形理論建立了相關(guān)的理論模型，預(yù)測(cè)了電極轉(zhuǎn)印發(fā)生的臨界壓縮應(yīng)變。基于理論分析和相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了用于預(yù)鋰化負(fù)極連續(xù)生產(chǎn)的卷對(duì)卷電沉積和轉(zhuǎn)印系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從集流體到預(yù)鋰化負(fù)極的連續(xù)生產(chǎn)，與傳統(tǒng)的卷對(duì)卷電池制造工藝可以很好地匹配，具有極大的工業(yè)化應(yīng)用價(jià)值。該方法利用電沉積方法實(shí)現(xiàn)了精確可控的預(yù)鋰化，避免了昂貴的預(yù)鋰化鋰源的使用，對(duì)各類(lèi)電極活性物質(zhì)具有普適性，并且具備與傳統(tǒng)電極制備工藝的良好匹配性以及工業(yè)可擴(kuò)展性。
上述研究成果以“基于卷對(duì)卷的鋰離子電池負(fù)極轉(zhuǎn)印預(yù)鋰化技術(shù)”（Roll-to-RollPrelithiationof Lithium-ion Battery Anodes by Transfer-printing）為題，于7月底發(fā)表在《自然·能源》（Nature Energy）上，并被選為7月份的封面論文?！蹲匀弧つ茉础菲诳?qǐng)鋰離子電池領(lǐng)域的國(guó)際知名專(zhuān)家撰寫(xiě)了題為“Extra lithium gives a boost”的News& Views，對(duì)該論文進(jìn)行了重點(diǎn)報(bào)道。研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)申請(qǐng)了相關(guān)的發(fā)明專(zhuān)利。
圖3.《自然·能源》7月份的封面
清華大學(xué)航天航空學(xué)院2023級(jí)畢業(yè)生楊程博士和2019級(jí)博士生馬華春為共同第一作者，清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉教授、清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁教授為本論文的共同通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金的項(xiàng)目支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41560-023-01272-1
供稿：航天航空學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
