王超研究员，黄云辉教授AEM文章：基于超薄Li-Mg-Al合金的持续补锂策略提升电池循环寿命以及能量密度

第一作者：陈鑫龙，杨方舟

通讯作者：万旺*，李洒*，黄云辉*，王超*

单位：美国哥伦比亚大学，加拿大西安大略大学

优质的储能系统是高效利用可再生能源，搭建智能电网，助力能源转型升级的关键。在各类电化学储能技术中，锂离子二次电池累计装机容量最大，占比超过70％。随着整体储能领域的迅速升温，长循环的锂离子二次电池的市场前景将更加广阔。预锂化被认为是弥补电池初期SEI的生成造成活性锂损失，从而大幅提升电池循环寿命的有效方法。然而，大多数预锂化相关研究专注于方法的改进，忽视了从全电池的角度设计最合适的预锂化策略，同时也鲜少考虑预锂化对电池后续循环的影响。

近日，来自同济大学的王超研究员团队与华中科技大学的黄云辉教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Sustainable Prelithiation Strategy: Enhancing Energy Density and Lifespan with Ultrathin Li-Mg-Al Alloy Foil的研究论文。该论文讨论了在pack级别预锂化对电池的循环寿命以及能量密度的预期影响，提出了基于更大预锂化度以实现更高能量密度以及倍增循环寿命的持续补锂策略。并且该论文进一步提出使用超薄Li-Mg-Al合金替代现有超薄Li金属箔有利于高效无损的补锂，在使用96Li2Mg2Al合金对LFP||Gr体系预锂化后，电池的有效循环寿命由500圈提升至1500圈，基于磷酸铁锂计算的放电比容量在1C循环1000圈后由87.8 mAh/g 提高到 116.3 mAh/g。

大多数预锂化研究中所认定的最佳预锂化量为额外的锂量能正好弥补电池首圈的容量损失，然而该研究指出上述一次性补锂策略仅在考虑电池初始能量密度时为最佳，而在考虑电池长期循环性能时增大预锂化度的持续补锂策略更具优势。在持续补锂的策略下，电池初期不会有由负极SEI生成造成的容量衰减，在活性锂消耗完后，电池会按照未补锂电池的衰减速率循环。以LFP||Gr pack为例，30%的预锂化度预计能提升电池15%的能量密度并且使得电池循环寿命倍增。

实现上述持续补锂的途径之一就是使用超薄锂进行负极接触预锂化。金属锂由于自身的性质（机械性能差、化学活性高）难以通过轧制减薄，该研究通过在Li中掺入合金元素大幅提升了材料的加工性能，在实验室制备出了连续的5微米厚度的超薄锂合金箔。同时，该研究还对比了不同锂合金箔预锂化后石墨内的活性锂的容量、锂化石墨的界面阻抗等指标指出中等比例的Mg与Al的掺杂（Mg与Al原子占比均为2%）未最佳比例，而锂金属或过低比例掺杂会造成预锂化后石墨表面残留金属碎屑、过高比例掺杂后过厚的残留物会影响锂离子的传输。

该研究进行了多组平行实验，未补锂的电池在1C下有效循环寿命平均约为500圈，而使用96Li2Mg2Al预锂化后循环寿命被提升至超过1500圈，并且初期数百圈中无容量衰减。而使用金属锂以及98Li1Mg1Al合金预锂化后电池初期容量高于对照组，但是后期循环衰减明显变快。EIS结果表明使用这二者循环后阻抗明显偏大，并且SEM表征在循环后负面表面观察到了明显的金属碎屑以及锂枝晶。

预锂化具有很强的应用前景，因此从提升电池能量密度、循环寿命等关键角度出发优化现有预锂化策略极为必要。同时，除了活性锂外，预锂化后的残留物及其对电池循环性能的影响同样需要关注，这是预锂化技术迈向实用化的关键。

Sustainable Prelithiation Strategy: Enhancing Energy Density and Lifespan with Ultrathin Li-Mg-Al Alloy Foil

王超，上海市海外高层次人才“特聘专家”，上海市浦江人才计划获得者。博士导师为黄云辉教授，毕业后在麻省理工学院李巨教授组从事博士后研究，2021年入职同济大学材料科学与工程学院，特聘研究员、博导，主持国家自然基金青年基金，参与国家自然科学基金委员会重点研发项目一项。在Adv. Mater，Energy. Environ. Sci.，Adv. Energy Mater等期刊上发表论文57余篇，论文总引用8000余次，5篇入选ESI高被引论文，获批PCT专利一项，申请中国专利6项。欢迎化学和材料背景的同学加入我们的研究团队，攻读博士学位或进行博士后研究。