中科院物理所王雪锋&王兆翔团队，Small：界面工程技术提高预锂化负极的（电）化学稳定性

第一作者：徐世伟

通讯作者：王兆翔，王雪锋

单位：中国科学院物理研究所

锂离子电池负极材料石墨，硅等在电池循环过程中会形成SEI膜不可逆的消耗电池中的活性锂资源，导致在电池首周循环后的较大的容量损失（石墨5-10%，硅10-30%）。预锂化是补偿锂离子电池内首周锂损失的重要技术，根据额外锂源的类型和反应机理不同，可以将预锂化方法分为添加剂补锂、电化学补锂、化学补锂或接触补锂。然而，随着内部活性锂浓度的提高，预锂化材料/电极变得更具反应性，容易与空气和电解质发生反应，导致不必要的副反应和污染，甚至影响电化学性能。另外，还需要额外的工序和成本来安全地处理和转移高反应性预锂化材料/电极，这无疑增加了预锂化技术实际应用的难度，提高预锂化材料/电极的（电）化学稳定性对于预锂化技术的发展和应用具有十分重要意义。

近日，中国科学院物理研究所王雪锋与王兆翔团队通过简单溶液处理实现了在预锂化电极上原位形成人工SEI层，并且通过改变功能性溶液的组分调控人工SEI层的成分，精选出的FF组分功能性溶液处理极片后同时实现了对于预锂化极片的空气稳定性和电化学性能的改善。相关工作以题为“Interphase Engineering Enhanced Electro-chemical Stability of Prelithiated Anode”的文章发表在国际知名期刊Small上。

本文中，作者提出通过简单的溶液处理法实现在预锂化界面上构建人工SEI层，该过程中，处理极片的功能性溶液与极片上残留的预锂化溶液/含有活性锂的电极材料发生反应从而形成界面层，根据XRD显示的预锂化石墨的结构变化，以及滴定气相色谱（TGC）的测试结果表明，该界面工程技术几乎不会造成预锂化极片内部活性锂的损失，组装半电池的开路电压（OCV）也可以证明这一说法。

作者测试了不同种溶液处理后的预锂化石墨极片，发现功能性溶液中加入含氟组分（如FEC，含氟锂盐）有利于降低界面阻抗，保证预锂化效果，以及实现更好的电化学性能以及更稳定的循环性能。实验中，使用FEC和LiFSI配制的功能性溶液FF处理的预锂化极片PGr-FF具有最佳的电化学性能。

作者通过Cryo-TEM，EELS，和XPS等表征了所制备的人工SEI层的结构，发现界面呈现有机-无机复合的马赛克结构，经过对比发现，锂盐的加入可以增加界面中的无机成分含量，这是由于锂盐在电极界面上的分解导致的，界面层中一定量的无机成分有利于降低界面阻抗，改善极片的电化学性能。从HRTEM图像发现，有机成分主要为LiF和Li₂CO₃，无机颗粒的尺寸为5-20nm分散在有机基底上，根据EELS测试的元素分布来看，所制备的人工SEI层的厚度约为20nm。

作者从空气稳定性，全电池性能考察了预锂化极片的实用效果，并且将界面工程方法用于纳米硅负极极片上。实验结果表明，在功能性溶液中添加锂盐有利于提高预锂化溶液的空气稳定性，这是由于有机-无机复合界面层具有更好的致密性能够隔绝空气，在空气中暴露后极片容量几乎不变。由PGr-FF（~ 4 mg cm^-2）与商业化磷酸铁锂极片（~ 10 mg cm^-2）组装成的全电池具有优异的循环稳定性和容量保持率。将该界面技术应用于预锂化的纳米硅负极，同样显示出一定的改善效果。

Interphase Engineering Enhanced Electro-chemical Stability of Prelithiated Anode

王雪锋 简介：中科院物理所特聘研究员，博士生导师，于2016年1月于中国科学院物理研究所获凝聚态物理博士学位，2016.04至2019.11于加州大学圣地亚哥分校从事研究工作。2019.11起任中国科学院物理研究所特聘研究员，博士生导师。主要从事金属锂电池、全固态电池、低温电池和快充电池相关的材料、界面和机理解析研究工作。曾获得guojia海外gaocengci人才引进青年项目(2020)、中国科学院优秀博士论文奖(2016)、2021年起担任中国科学院大学岗位教授，已在Nature、Nature Material、Chemical Reviews、Nature Communication、Advanced Materials、Joule 、Energy&Environmental Science、Journal of American Society、Advanced Energy Materials、ACS Energy Letters、Nano Energy、Small等国际权威期刊发表论文90多篇，引用超过6400次，h指数39，i10 指数68。受邀担任多种权威期刊的编委、青年编委、审稿人等。

王兆翔 简介：中国科学院物理研究所研究员，博士生导师。1992年在中国科学院物理研究所光学专业获得硕士学位并留所工作，1998年在中科院物理所凝聚态物理专业获得博士学位并获得留所工作资格。1998年6月至2000年7月先后在日本三重(Mie)大学、英国University of St. Andrews和美国University of Michigan做博士后研究。2000年7月回物理所工作至今，期间分别在University of Western Australia(2007)和MIT(2016)访问3个月。主要研究方向为二次电池材料结构设计、性能预测、材料内部及表面的物理化学过程。已在SCI收录国际期刊上发表研究论文200余篇，其中截至2005年发表第一作者论文36篇。目前个人H因子54。为2部英文专著和5部中文专著撰稿30余万字。申请专利15项，其中7项授权。

徐世伟，中国科学院物理研究所博士研究生，主要研究方向为锂离子电池预锂化技术，电极材料人工界面层制备技术。

诚招硕博研究生及博士后，课题组主要从事金属锂电池、全固态电池、低温电池和快充电池相关的材料、界面和机理解析工作。特别欢迎对科研感兴趣、积极主动性强、成绩优秀、意于继续深造的学生报考研究生或者申请本课题组的博士后！

联系邮箱wxf@iphy.ac.cn

投稿请联系contact@scimaterials.cn