正极精准化学预锂化！武汉大学钱江锋、熊佩团队联手中科院物理所索鎏敏开发新策略，打造长寿命无负极锂金属电池正极材料

第一作者：李庭参，高睿敏，王玄泽

通讯作者：索鎏敏*，熊佩*，钱江锋*

单位：中国科学院物理研究所，武汉大学

与传统锂金属电池相比，无负极锂金属电池（AFLMBs）摒弃了初始负极的金属锂，仅依靠铜集流体沉积锂，这种设计不仅进一步显著提升了能量密度，还减少了制造过程中金属锂处理和运输带来的安全隐患。然而，AFLMBs存在初始活性锂不足的问题，且循环过程中持续的SEI形成、死锂生成及副反应会进一步消耗锂库存，导致电池寿命急剧缩短。解决此问题的核心策略是开发富锂正极（如Li_1+xNCM523，x≥0）以实现正极预锂化，为电池提供额外的锂源储备。在现有的制备方法中，电化学预锂化虽精准可控，但需组装临时电池，步骤繁琐耗时，难以规模化生产；传统化学锂化方法虽操作简便，但其通常使用的强还原性有机锂试剂（如联苯锂、萘锂）易引发正极表面过度锂化与结构坍塌，形成核壳异质相（表面为Li₂O/过渡金属混合物，内部未充分锂化），严重损害电池性能。

近日，武汉大学钱江锋教授、熊佩博士与中国科学院物理研究所索鎏敏研究员合作，提出了基于电位匹配原则的正极精准化学锂化新策略。该团队结合分子结构调控筛选出9-芴酮锂/四氢呋喃（EΘFL-2Li =1.32 V vs Li⁺/Li）为核心试剂，其氧化还原电位（1.32 V vs. Li⁺/Li）略低于Li_1.7NCM523锂化电位（1.50 V vs. Li⁺/Li）以实现可控均匀锂化，高于Li_2.0NCM523电位（1.0 V vs. Li⁺/Li）以避免过度锂化，远高于Li_4.0NCM523相变电位（Li₂O/TM, 0.75 V vs. Li⁺/Li）以防止不可逆结构坍塌。这种“电位匹配”策略从热力学上防止了过度锂化与结构坍塌的发生，赋予了化学预锂化反应“自我终止”的特性，摆脱了传统方法对锂剂量或持续时间的严格控制。同时使制得的Li_1.7NCM523正极具有均匀体相锂化结构，避免了传统试剂因Li⁺传输动力学失衡而导致的核壳异质效应。相关成果以“Precise Chemical Lithiation: A Pathway to Superior Li-Enriched Cathodes for Long Life Anode-Free Li Metal Batteries”为题发表在在国际知名期刊《Journal of the American Chemical Society》上。

研究团队创新性地提出基于“电位匹配”原则的分子设计新思路，该策略旨在通过分子结构调控（芳香环与取代基），使预锂化试剂的氧化还原电位与NCM523相变电压相匹配。得益于试剂氧化还原电位的限制，反应在达到相应的锂化状态后自发终止，实现了三种富锂正极材料的选择性和可规模化制备：Li_1.7NCM523（FL-2Li）、Li_2.0NCM523（Py-Li）和Li_4.0NCM523（Bp-Li）。值得注意的是，结合XRD、FIB-SEM、TEM、XANES等多种表征发现，嵌锂量与结构稳定性之间存在非线性关系：当锂含量超过Li_1.7NCM523（x>0.7）时，Mn⁴⁺的大量还原会使得材料平均晶格应变急剧增大，引发结构稳定性显著恶化。综合考虑无负极电池对高锂补偿量的需求，Li_1.7NCM523（FL-2Li）材料在保持结构完整性的同时，能有效补偿循环过程中的锂损失，展现出最佳的锂嵌入阈值。

此外，该正极精准预锂化技术具备高度的工业化应用潜力和环境友好性。该体系不仅可被扩展至软包电池，其工艺流程还可无缝集成到现有的“卷对卷”电池生产线中，仅需增加浸泡、清洗和干燥等简单步骤。更重要的是，该方法使用的锂化试剂可再生与循环利用，实现了绿色可循环化学锂化与富锂正极材料可持续生产。通过简单的离心和锂金属的重新加入，FL-2Li溶液可以完全再生，用于后续的锂化反应。这种绿色闭环工艺不仅降低了生产成本，还减少了环境污染，提高了锂化正极材料生产的可持续性。