近日，由同济大学王超研究员团队联合麻省理工学院李巨教授团队开展的创新研究在锂离子电池（LIB）领域取得了重大突破。该团队成功开发出一种可控长期补锂策略，有效解决了困扰锂离子电池多年的活性锂消耗和循环寿命问题，从而显著提升了电池的能量密度和使用寿命。
长期以来，锂离子电池因固体电解质界面（SEI）形成导致的活性锂损失（ALL）而饱受能量密度降低和寿命缩短之苦。尽管预锂化技术在一定程度上抵消了初始锂损失，但对于整个循环过程中持续发生的锂耗尽现象并未得到充分关注。此次研究团队提出了一种新的解决方案——通过精确容量控制，在长期循环期间系统性释放额外锂库存来补充损耗的锂。
研究人员设计了一种特殊的锂补充隔膜（LRS），其表面涂覆有方酸二锂-碳纳米管（Li2C4O4-CNT）复合材料。这种复合材料具有优越的稳定性及导电性，并能减少与阴极材料如LiFePO4的催化反应，防止碳残留物生成。在实验中，将此技术应用于LiFePO4||石墨电池系统后，数据显示在初始循环阶段，电池容量提升高达12.9%，并且在经过700次循环后，仍保持了惊人的97.2%容量，远超过对照组（在426次循环后的容量保持率为80%）。
电池循环期间发生的iALL和cALL示意图。
Li2C4O4–3CNT复合材料的合成与表征。(a)Li2C4O4与其他代表性预锂化试剂的品质因数。(b)采用喷雾干燥法制备Li2C4O4-CNT复合材料的工艺示意图。所制备的Li2C4O4-CNT复合材料的(c)SEM和(d)TEM图像。(e)Li2C4O4和Li2C4O4-CNT的XRD图谱（插图是其相应的晶体结构）。(f)Li2C4O4在0.02C下的恒电流充放电曲线。(g)Li2C4O4–3CNT||Li半电池在不同倍率下的初始充电曲线。（h）Li2C4O4–3CNT||Li半电池的原位微分电化学质谱（DEMS）测试。
长期补锂策略的电化学评价（a）不同循环后iALL和cALL的比例。(b)LFP和Li2C4O4–3CNT的CV曲线。(c)LRS-15||Li半电池验证的控释过程。(d)采用长期锂补充策略的LFP||Gr全电池在0.5C下的循环性能。
目前，这一研究成果处于实验室验证阶段，展示了巨大的潜力和广阔的应用前景。虽然该技术尚需解决如何在商业电池中实现自动排气等实际应用中的细节问题，但无疑为锂离子电池行业带来了革命性的改变。一旦全面投入商业化应用，不仅能够推动电动汽车、储能设备等领域的技术升级，而且有望大幅提高相关产品的性价比和用户满意度，进而对全球能源转型和社会经济发展产生深远影响。
展望未来，此项可控长期补锂技术有望拓展至更多类型的锂离子电池系统中，包括但不限于高容量合金阳极体系以及各类新型电池材料的研发。此外，它还可能解决其他行业对于高性能、长寿命储能组件的需求，例如智能电网、航空航天、便携式电子设备等领域。随着进一步的研究和优化，这项成果有望成为推动锂离子电池技术进步的关键驱动力，为全球能源结构的绿色低碳转型提供有力支持。
参考资料
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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