近日，由同濟大學王超研究員團隊聯合麻省理工學院李巨教授團隊開展的創新研究在鋰離子電池（LIB）領域取得了重大突破。該團隊成功開發出一種可控長期補鋰策略，有效解決了困擾鋰離子電池多年的活性鋰消耗和迴圈壽命問題，從而顯著提升了電池的能量密度和使用壽命。
長期以來，鋰離子電池因固體電解質界面（SEI）形成導致的活性鋰損失（ALL）而飽受能量密度降低和壽命縮短之苦。盡管預鋰化技術在一定程度上抵消了初始鋰損失，但對於整個迴圈過程中持續發生的鋰耗盡現象並未得到充分關註。此次研究團隊提出了一種新的解決方案——透過精確容量控制，在長期迴圈期間系統性釋放額外鋰庫存來補充損耗的鋰。
研究人員設計了一種特殊的鋰補充隔膜（LRS），其表面塗覆有方酸二鋰-碳奈米管（Li2C4O4-CNT）復合材料。這種復合材料具有優越的穩定性及導電性，並能減少與陰極材料如LiFePO4的催化反應，防止碳殘留物生成。在實驗中，將此技術套用於LiFePO4||石墨電池系統後，數據顯示在初始迴圈階段，電池容量提升高達12.9%，並且在經過700次迴圈後，仍保持了驚人的97.2%容量，遠超過對照組（在426次迴圈後的容量保持率為80%）。
電池迴圈期間發生的iALL和cALL示意圖。
Li2C4O4–3CNT復合材料的合成與表征。(a)Li2C4O4與其他代表性預鋰化試劑的品質因數。(b)采用噴霧幹燥法制備Li2C4O4-CNT復合材料的工藝示意圖。所制備的Li2C4O4-CNT復合材料的(c)SEM和(d)TEM影像。(e)Li2C4O4和Li2C4O4-CNT的XRD圖譜（插圖是其相應的晶體結構）。(f)Li2C4O4在0.02C下的恒電流充放電曲線。(g)Li2C4O4–3CNT||Li半電池在不同倍率下的初始充電曲線。（h）Li2C4O4–3CNT||Li半電池的原位微分電化學質譜（DEMS）測試。
長期補鋰策略的電化學評價（a）不同迴圈後iALL和cALL的比例。(b)LFP和Li2C4O4–3CNT的CV曲線。(c)LRS-15||Li半電池驗證的控釋過程。(d)采用長期鋰補充策略的LFP||Gr全電池在0.5C下的迴圈效能。
目前，這一研究成果處於實驗室驗證階段，展示了巨大的潛力和廣闊的套用前景。雖然該技術尚需解決如何在商業電池中實作自動排氣等實際套用中的細節問題，但無疑為鋰離子電池行業帶來了革命性的改變。一旦全面投入商業化套用，不僅能夠推動電動汽車、儲能裝置等領域的技術升級，而且有望大幅提高相關產品的價效比和使用者滿意度，進而對全球能源轉型和社會經濟發展產生深遠影響。
展望未來，此項可控長期補鋰技術有望拓展至更多型別的鋰離子電池系統中，包括但不限於高容量合金陽極體系以及各類新型電池材料的研發。此外，它還可能解決其他行業對於高效能、長壽命儲能元件的需求，例如智慧電網、航空航天、人員攜行式電子裝置等領域。隨著進一步的研究和最佳化，這項成果有望成為推動鋰離子電池技術進步的關鍵驅動力，為全球能源結構的綠色低碳轉型提供有力支持。
參考資料
Controllable long-term lithium replenishment for enhancing energy density and cycle life of lithium-ion batteries†Check for updates
Ganxiong Liu,Wang Wan,Quan Nie,Can Zhang,Xinlong Chen,Weihuang Lin,Xuezhe Wei,Yunhui Huang,Ju Li and Chao Wang
https://doi.org/10.1039/D3EE03740A
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