华中科技大学孙永明教授，EnSM：构筑异质锂合金界面实现稳定的锂电池用锡箔负极

第一作者：王贤成

通讯作者：孙永明*

单位：华中科技大学

锡基箔材具有较高的理论容量以及优良的可加工性，成为高能量密度锂离子电池负极材料的理想选择。由于锡箔不均匀的电化学锂化/去锂化反应、严重的副反应以及巨大的锂损失等问题，造成了电极差的机械-电化学稳定性和短的循环寿命，使得其进一步应用受到限制。均匀化锡箔的电化学反应，提高首次库伦效率并对循环过程中的锂损失进行有效补充，对于锡箔负极的实际应用至关重要。

基于此，来自华中科技大学的孙永明教授课题组，在国际知名储能期刊Energy Storage materials上发表题为“Heterogeneous Li-alloy interphase enabling Li compensation during cycling for high energy density batteries”的研究论文。

该文章分析了提高锡箔负极循环稳定性的关键问题，并通过在锡箔表面构建高离子电导的异质锂合金界面（Sn-Li-LA），均匀化了电极的电化学反应，抑制了底部活性锂锡合金与电解液之间的副反应，提高了电极的首次库伦效率，实现了循环过程中的锂补偿，进而极大延长了全电池的循环寿命。当其与面载量为15.3 mg/cm²的三元（NCM622）正极组装全电池时，电池的容量可达180 mAh/g，230次循环容量保持率为96%。而使用纯锡箔负极的对比电池在230次循环后容量仅为22 mAh/g。

图1. （a）纯锡电极，预锂化的锡电极以及Sn/Li-LA电极在全电池中的循环示意曲线;（b）异质锂合金界面的设计原则（c）NCM622||Sn/Li-LA全电池在第10次和第160次循环的电压-容量曲线。

图2. （a）Sn/Li-LA电极的制备示意图；（b）Sn和Sn/Li-LA的数码照片；（c，d）Sn/Li-LA的表面和截面EPMA图以及对应的Ga元素分布图；（e）Sn和Sn/Li-LA的XPS高分辨Li 1s谱；（f）Sn（5wt% Sb掺杂）和Sn/Li-LA的XRD图谱。

图3. （a, b）Sn/Li-LA和Sn在锂化/去锂化过程中的结构演变示意图；（c, d）Sn/Li-LA和Sn在1 mA/cm² 的电流密度下锂化三小时后的截面SEM图；（e, f）Sn/Li-LA和Sn循环50次后的截面SEM图；（g, h）Sn/Li-LA循环250次后的表面和截面SEM图；（i, j）Sn循环250次后的表面和截面SEM图；（k, l）Sn/Li-LA和Sn在第50次，第100次，第250次循环的容量-电压曲线；（m）Sn和Sn/Li-LA经过100次循环后的Nyquist图。

图4. (a) Sn/Li-LA||Li和Sn||Li电池的库伦效率图. (b) NCM622||Sn/Li-LA和NCM622||Sn电池的电化学性能. (c) Sn/Li-LA和Sn电极在半电池和全电池中循环的平均库伦效率 (d, e) NCM622||Sn/Li-LA和NCM622||Sn 在第20、50、100次循环的容量-电压曲线. (f，g) Sn/Li-LA电极在81%相对湿度暴露24 小时后的全电池循环以及极片的数码照片.

XRD图谱显示异质锂合金界面主要成分为LiGa合金，其去锂化电位略高于锂锡合金的去锂化电位，可以在全电池循环过程中过电位增加时，触发异质锂合金界面的锂补偿，实现全电池的超稳定循环。

要点二：提升电池可逆容量

异质锂合金界面可以有效分隔活性锂锡电极与电解液，抑制副反应，最大化减小初始和循环过程中锂损失，将全电池的可逆容量从90 mAh/g提升至180 mAh/g，有效提升了电池的能量密度。

要点三：优良的机械-电化学稳定性

异质锂合金界面均匀覆盖在电极表面，并且其具有高的离子电导，可以有效促进和均匀化界面的锂离子传输，进一步均匀化电极的电化学锂化/去锂化反应，维持其在循环过程中的结构稳定性，有效抑制电极的开裂与粉化失效。

Heterogeneous Li-alloy interphase enabling Li compensation during cycling for high energy density batteries”

孙永明，博士，华中科技大学武汉光电国家研究中心教授、博士生导师，入选国家高层次青年人才项目、《麻省理工学院科技评论》“TR35 全球科技创新领军人物”（35 Innovators Under 35）中国区榜单、科睿唯安全球“高被引科学家”和“全球前2%顶尖科学家终身成就榜”榜单。

孙永明教授长期从事新型储能材料与技术（锂离子电池、锂金属电池、锌金属电池等）等方向的科学研究，并取得了一系列重要进展，在知名国际期刊发表通讯作者或第一作者论文60+篇，包括Nature Energy （2）、Nature Communications（1）、Advanced Materials （5）、Science Bulletin （1）、 Journal of the American Chemical Society（1）、Angewandte Chemie （1）、Advanced Functional Materials（3）、Energy & Environmental Science（1）、Joule（1）、Chem（1）、Advanced Energy Materials（3）等。此外，获得授权国内外专利10余项目。据google scholar, 所发论文引用超过17000次，H因子为58。

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