华中科大谢佳教授课题组AEM：正负极协同全生命周期预锂化策略用于高性能锂离子电池

第一作者：钟伟，何仁杰

通讯作者：彭林峰*，谢佳*

单位：华中科技大学

锂离子电池在首次充电和服役过程中因形成固态电解质界面（SEI）以及持续的副反应会导致活性锂的损失，进而降低电池能量密度和寿命。通过向电池体系中引入额外的锂源预锂化技术是目前最有效弥补活性锂损失的策略之一。但传统的预锂化方法受限于仅针对初始阶段锂损耗的单一补锂机制，无法对服役中的锂损耗进行有效补充。本文提出了一种针对服役前及服役中的正负极协同全生命周期预锂化策略，通过电压-电量控制实现了服役前及服役中锂损耗的高效补偿。该研究为设计利用多次锂补偿技术，开发满足长寿命需求的高能量密度锂离子电池提供了参考思路。

基于此，来自华中科技大学谢佳教授团队，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Lifecycle Synergistic Prelithiation Strategy of Both Anode and Cathode for High-Performance Lithium-Ion Batteries”的研究文章。该文章提出一种正负极协同全生命周期预锂化技术。在负极预锂化中，采用高活性联苯锂（Bp-Li）作为补锂剂，并辅以功能性添加剂乙氧基五氟环三磷腈（PFPN）和氟代碳酸乙烯酯（FEC），构建了富含Li₃N、LiF、Li₃P和Li₂O的稳定SEI膜。该策略不仅补偿了初始活性锂损失，还强化了SEI的结构。在正极预锂化中，引入由B、N双掺杂碳负载的Mo₂C-W₂C异质催化剂（Mo-W@BNC）来调控采高容量补锂剂Li₂C₄O₄和Li₂C₂O₄的活性，进而实现分别在3.78 V和4.14 V电压下分级高效释锂。正负极协同预锂化使初始活性锂损失降低22.6%，首效提升至97.3%。此外，后续通过电压-电量控制单次激活正极补锂剂可额外贡献0.8 mAh cm⁻²活性锂，使电池在0.5C下循环250次后容量保持率达99.3%。

图1. 正负极协同预锂化机理示意图。

以高活性的联苯锂/二甲基四氢呋喃为锂化试剂并用氮和氟丰富的PFPN以及成膜稳定FEC处理，成功对石墨进行了高效负极预锂化并在表面构筑了Li₃N，LiF，Li₃P，Li₂O丰富的SEI膜。高HOMO能级的试剂能促进石墨的高效预锂化，首效由88.8%提升至99.8%。无机物丰富的SEI能增强界面的机械和电化学性能，保证循环稳定性并抑制后续可能的副反应。

要点二：分级释锂的正极预锂化

设计制备了B和N双掺杂碳负载的Mo₂C-W₂C异质催化剂。通过喷雾干燥实现对Li₂C₂O₄和Li₂C₄O₄的均匀负载。B和N掺杂的碳表现出更高的缺陷密度能促进对Li₂C₂O₄和Li₂C₄O₄的吸附。Mo₂C和W₂C具有差异的功函数能形成内建电场加速电荷的传导。此外，异质催化剂表现出提升的d带中心，进一步改善催化性能，降低反应能垒，调控Li₂C₄O₄和Li₂C₂O₄活性，可分别实现在3.78 V和4.14 V分级多次释锂。

要点三：正负极协同预锂化

双层涂布引入补锂避免了对正极材料的影响，仍能维持良好的循环稳定性且无过渡金属离子溶出。组装的Gr||LFP全电池初始活性锂损失降低22.6%，首效提升至97.3%。在负极稳定SEI的辅助下，通过电压-电量控制实现了分级多次补锂，单次补锂容量为0.8 mAh cm^-2，在0.5C下循环250圈后容量保持率为99.3%。

Wei Zhong, Renjie He, Linfeng Peng,* Wei Liu, Jiayue Peng, Haolin Zhu, Jingyu Xiang, Shijie Cheng, and Jia Xie*

谢佳教授简介：华中科技大学教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，国家重点研发和青年973计划项目首席科学家。2002年于北京大学化学与分子工程学院获学士学位；2008年于斯坦福大学化学系获博士学位；2008-2012年在美国陶氏化学任资深研究员；2012 年初回国，担任合肥国轩高科研究院院长，从事动力锂离子电池研发及产业化工作；2015年起担任华中科技大学教授。近年来在电化学储能领域取得了多项原创性成果，在 Nature子刊、Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials 等国际顶级期刊发表 SCI 论文 200余篇，获专利授权 100 余项。牵头荣获 2022 年度中国电工技术学会科技进步一等奖（排名第一）和 2023 年度青年科技奖。

彭林峰博士简介：华中科技大学电气与电子工程学院博士后（合作导师程时杰院士），博士毕业于华中科技大学谢佳教授课题组，主要从事硫化物固态电解质、全固态电池、补锂和锂回收等方面的研究。以第一作者或通讯作者在Nature Communication, Energy Storage Materials, Chemical Engineering Journal, Chinese Chemical Letters, Energy & Environmental Materials 等期刊发表论文十余篇。

华中科技大学电能存储与转换研究课题组成立于2015年，依托华中科技大学电气与电子工程学院强电磁技术全国重点实验室，主要致力于新能源电池及电池关键材料的研究与能源存储及转换技术开发。

课题组网站：http://rest.seee.hust.edu.cn

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