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AEM:熱蒸發預鋰化技術在鋰離子電池Si負極上的實際應用

基于鋰金屬的預鋰化技術在Si電極中的實際適用性

AEM:熱蒸發預鋰化技術在鋰離子電池Si負極上的實際應用
使用Si作為負極材料的鋰離子電池(LIB)比最先進的石墨基LIB具有更高的能量密度。然而,體積膨脹和相關動態表面的挑戰導致固體電解質界面的連續(重新)形成、活性鋰損失(ALL)和快速容量衰減。當Si與高容量但活性較高的富鎳正極(如NCM-811)搭配使用時,電池故障會進一步加速。
AEM:熱蒸發預鋰化技術在鋰離子電池Si負極上的實際應用
在此,德國明斯特大學Aurora Gomez-Martin、Egy Adhitama等人評估了基于鋰金屬的預鋰化技術在基于粉末的Si電極中的實際適用性,以應對上述挑戰。具體而言,作者采用鋰熱蒸發技術在微米級Si電極(μ-Si)上沉積鋰金屬(所需厚度≈1 μ m),得到的電極簡稱為“preLi μ-Si”。作者將該電極在雙電極和三電極配置的鋰金屬電池和全電池配置(NCM-811正極)中進行了評估,這對于評估實際相關性和更全面的電化學分析是必要的。
在本研究中,使用Si基負極與富鎳NCM-811正極非常重要,因為這些材料有可能提高LIB的能量密度。進一步,作者還討論了Li利用率(預鋰化程度)和分布,研究了不同的電極容量平衡(N/P比)及其與能量密度的權衡。
AEM:熱蒸發預鋰化技術在鋰離子電池Si負極上的實際應用
圖1. preLi μ-Si的形貌及通過熱蒸發沉積鋰的示意圖
通過對不同N/P比的深入研究,作者發現1.2的N/P比會導致嚴重的容量損失,因此,選擇6.8的N/P比作為“更安全”的選擇。同時,NCM-811||preLi μ-Si全電池(25%的預鋰化程度)可獲得更高的≈192 mAh g-1的初始放電容量和77%的容量保持率,而NCM-811||μ-Si全電池容量僅為160 mAh g-1 且保持率為63%。
此外,作者強調了關于預鋰化的電池壽命和能量密度之間權衡的評論,介紹了活性材料水平的比能計算并與SOTA石墨基LIB進行了比較。雖然預鋰化方法確實可以補償初始和持續的ALL,但它仍無法解決其主要挑戰(即體積膨脹)。盡管如此,本研究中討論的現象將為使用鋰金屬熱蒸發作為Si負極預鋰化技術的研究提供一定的指導,以達到未來可應用包含Si作為負極的最佳電池系統(即使用1.03~1.2的N/P比)而不犧牲穩定性的地步。
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圖2. μ-Si/preLi μ-Si電極循環后的橫截面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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