精品香蕉久久久午夜福利,裸体穿婚纱调教h,精品av无码国产一区二区

從定量分析電池性能的半電池，到實際應用的全電池，預鋰化技術一直是實現電池材料從開發到應用的“橋梁”。并且，開發一種具有成本效益、高質量和高工業兼容性的預鋰化策略至關重要。

在此，清華大學伍暉教授和李曉雁教授報道了一種用于連續預鋰化鋰離子電池負極的卷對卷電沉積和轉移印刷技術，通過優化電沉積參數，在集流體上沉積了受控量的鋰。

利用沉積的鋰與負極層之間的強結合力，采用電極轉移印刷工藝將活性材料轉移到電極上，該方法成功制備了預鋰化石墨和硅/碳（Si/C）復合負極，其首效明顯提高（分別為99.99%和99.05%），且匹配NCM和LFP正極全電池性能均得到提高。

進一步通過有限元（FE）建模揭示了轉移印刷過程的動力學和潛在機制。在此基礎上，設計了卷對卷電沉積和轉移印刷（RET）系統，用于預鋰化負極的大規模制備，實現了從集流體到預鋰化負極的連續生產過程，從而很好地匹配傳統的卷對卷電池制造工藝。

該研究以題為“Roll-to-roll prelithiation of lithium-ion battery anodes by transfer printing”發表在Nature Energy上。

研究背景

盡管鋰離子電池（LIBs）領域已經得到了深入的發展，但向電動汽車發展過程中仍然面臨著里程焦慮。在過去十年，進一步提高鋰離子電池的能量密度是一個關鍵且具有挑戰性的研究領域。對于LIBs，在負極上形成固體電解質界面（SEI）會消耗大量的鋰離子，并導致初始庫侖效率（ICE）低和能量密度嚴重衰減。

此外，對于下一代高能量密度硅基負極，由于納米結構硅負極中形成的SEI表面積的增加，鋰損失可能會更嚴重地損害能量密度。因此，預鋰化已被公認為解決活性鋰損失問題和提高下一代鋰離子電池能量密度的有效途徑。

其中，穩定的鋰金屬粉末作為預鋰化的添加劑，在電池組裝過程中電解液浸潤后與負極活性材料反應，已被被證明是一種簡單直接的預鋰化策略，適用于大規模生產。

然而，該方法在穩定鋰金屬粉末的生產和分散過程中成本高。在負極上添加一塊鋰金屬箔是負極預鋰化的另一種常用方法，但需要極薄的鋰金屬箔（厚度<5μm）才能進行精確的鋰補償。

然而，厚度低于20μm的自支撐鋰金屬箔由于其機械脆性而超出了傳統擠壓技術的范圍。通過恒電流充放電作為潛在選擇，但它需要臨時的半電池或復雜的重新組裝過程。此外，由于施加的電流有限，預鋰化過程非常耗時。

通過將陽極浸入含鋰溶液（如鋰-雙苯/四氫呋喃、鋰-萘/甲氧基甲烷）中進行化學預鋰化也是一種很有前途的方法，但典型的預鋰化溶液無法與石墨負極反應，因為它們的氧化還原電位高于石墨。

此外，將負極浸入有機溶劑（如四氫呋喃或甲氧基甲烷）中可能會導致某些粘結劑的粘合失效。

不幸的是，電化學和化學預鋰化方法都很難與目前使用的卷對卷工藝電池組件聯系起來。已經進行了一些嘗試將預鋰化與卷對卷工藝相結合，但這些方法因其復雜性、可行性低或缺乏普遍性而受到限制。因此，一種經濟高效、可控、行業適應性強的負極預鋰化方法是人們期待已久且迫切需要的。

圖文導讀

預鋰化電極的制造和表征

圖1a展示了本文提出的單面預鋰化石墨（preGr）電極的制造示意圖。首先，將活性材料涂覆在光滑的不銹鋼表面上，然后通過電沉積在銅箔上沉積一層薄鋰層。

最后，將鋰涂層銅箔（LiCF）與石墨涂層不銹鋼（GrSS）壓延，將石墨層轉移到銅箔上。與常見的電化學預鋰化方法相比，本文使用的電流密度要高得多（高達10 mA cm^-2），從而能夠適應更高的生產速度。

為了更好地匹配石墨電極中的鋰損耗，精確調整了沉積鋰的容量，以實現約100%的ICE。通過轉移印刷，石墨負極的鋰負載量相當于石墨容量的30%（30 preGr）。圖1b-g顯示了30 preGr電極和Gr電極的橫截面SEM圖像。通過放大的SEM圖像確認，30 preGr的鋰層約為2 μm（圖1c）。

圖1. 單面preGr電極的制備

用于全電池的石墨和Si/C負極的預鋰化

為了進一步研究預鋰化反應，通過上述方法制備了一系列具有不同量電沉積鋰的preGr（30preGr，100preGr，200preGr和300preGr）負極，并組裝成2025電池。

在靜置24 h后，preGr負極的石墨層在電解液的作用下與活性鋰發生完全反應，形成具有不同成分的鋰-石墨插層化合物（Li-GIC）。與原始Gr負極相比，這些preGr負極表現出從黑色到金色的逐漸顏色變化，表明形成了金色LiC₆200preGr負極和300preGr負極。

值得注意的是，在沒有預鋰化的情況下，人造石墨負極顯示出相對較低的ICE（83.13%）。相比之下，在30 preGr||Li半電池中，ICE增加到99.99%，并且觀察到開路電壓（OCV）從2.427降低到0.3702 V（圖2d）。

圖2. preGr電極的表征

此外，隨著鋰負載量的逐漸增加，這些電池的OCV急劇下降，而ICEs穩步增加（圖3a）。在全電池中，過量的鋰補償會導致負極表面析鋰嚴重，導致電池性能下降和潛在的安全隱患。

更加重要的是，作者通過電化學阻抗譜（EIS）用于監測Gr和30preGr半電池在循環過程中SEI的演變。顯然，結果表明30preGr負極具有較低的SEI阻抗，其有利于更好的電池循環。

圖3. 不同預鋰化程度對半電池性能的影響

圖4. 不同預鋰化程度對全電池性能的影響

為了揭示卷對卷制造中轉移印刷的運動學和潛在機理，對預鋰化負極的滾動凹陷進行了一系列有限元模擬。

首選，作者測量了GrSS樣品和預鋰化電極的能量釋放速率與剝離距離的曲線，圖5b顯示了LiCF和GrSS的剪切應力分布。由于LiCF和GrSS之間的剪切模量不同，界面處會產生高剪切應力，以保持轉移印刷過程中的應變相容性。

基于格里菲斯斷裂理論，當高剪切應力驅動的能量釋放速率超過臨界值時，不銹鋼箔與石墨層分離。如圖5c所示、垂直變形引起的法向應力為壓應力，使LiCF和GrSS相互接觸，進一步促進卷對卷制造中石墨層與鋰層之間的粘附。

圖5. 預鋰化負極的有限元模擬

為了追蹤轉移印刷過程中的分離和粘附行為，引入了兩個損傷變量D（D=0，無分離，D=1，完全分離）和ξ（ξ=1，無粘附，ξ=0）分別量化界面分離和粘附的程度。圖6a，b分別以兩個損傷變量表示，清楚地表明不銹鋼箔與石墨層之間的分離以及石墨層與鋰層之間的附著力。

此外，實驗和有限元模擬都表明，只有當輥壓引起的壓縮應變大于臨界值時，才能獲得更高的轉移印刷成功率。圖6c顯示了有限元模擬的壓縮應變和轉移打印成功程度的相圖，這表明較高的壓縮應變使轉移印刷更容易。

然而，需要注意的是，高剪切應力和壓應力可能會損壞preGr電極，0.27的壓縮應變會引起足夠的剪切應力和法向應力，不會損壞preGr電極，并且可以保證較高的轉移印刷成功率。

圖6. 界面分離和粘附的跟蹤和模擬

卷對卷預鋰化批量化制備

圖7a顯示了RET系統的示意圖，由電沉積設備、表面清洗工藝系統和轉印系統組成。銅箔通常經過以下三個步驟：首先，在電沉積設備中銅箔兩側電沉積均勻的鋰層；然后在清洗設備中清洗LiCF；最后，將負極活性材料的印刷轉移到雙面預鋰電極。

圖7. 卷對卷批量化電極制備

總結展望

綜上所述，本研究開發了一種轉移印刷工藝來生產不同類型的預鋰化陽極，并介紹了它們在提高LIBs能量密度方面的應用。通過有限元仿真和理論建模，揭示了轉移印刷過程中界面分離和粘附分別與界面剪切應力和壓力有關，為后續實驗和工業應用提供了具有指導意義的設計。

這種預鋰化方法保證了Gr和Si/C電極中的ICE接近100%，并且穩定的SEI薄膜提升了半電池的循環穩定性和倍率能力。當與NCM和LFP正極組裝時，預鋰化的電極可明顯著增強全電池的ICE和能量密度。

另一方面，本文進一步建立了低成本高效的RET系統，用于預鋰化電極的連續生產。該策略可以普遍應用于制造各種電極，并且可以與當前的商業化LIB完美結合。

作者簡介

伍暉，博士，清華大學材料學院教授。主要從事功能無機納米材料和新能源材料的制備和應用研究。2004年7月畢業于清華大學化學工程系高分子專業，2009年7月獲清華大學工學博士學位，2009年7月起在美國斯坦福大學材料系從事博士后研究。2013年5月進入清華大學材料學院工作，任職副教授。從事能源存儲材料、一維納米結構無機功能材料的合成、組裝及其結構-功能一體化的研究。

以通訊作者身份在Nature Energy、Nature Sustainability、Science Advances、Nature Communications等學術期刊發表學術論文超過150篇，授權發明專利30項，出版專著章節1章。發表論文被引用超過30000次，H因子70。

獲得麻省理工科技評論( MIT-Technology Review)評選的2014年度35位35歲以下青年創新人物（35 Innovators Under 35, or TR35），入選清華大學“基礎研究青年骨干人才計劃”，獲得全國百篇優秀博士學位論文、北京市科技進步三等獎（排名第 2）、中國硅酸鹽學會優秀青年科學家提名獎、清華大學學術新秀、清華大學優秀博士畢業生。2015年開始承擔科技部青年973計劃 “柔性儲能材料中的關鍵科學問題”和基金委優青項目。

文獻信息

Yang, C., Ma, H., Yuan, R.?et al.?Roll-to-roll prelithiation of lithium-ion battery anodes by transfer printing.?Nat Energy?(2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01272-1

原創文章，作者：科研小搬磚，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/05/c7da0f9173/

末成年小嫩xb,嫰bbb槡bbbb槡bbbb,免费无人区码卡密,成全高清mv电影免费观看

清華大學伍暉/李曉雁，最新Nature Energy！

末成年小嫩xb,嫰bbb槡bbbb槡bbbb,免费无人区码卡密,成全高清mv电影免费观看

清華大學伍暉/李曉雁，最新Nature Energy！

相關推薦