孙永明教授/陆俊研究员 ACS Energy Letters：富锂梯度界面设计助力实际高镍/硅碳高比能全电池- 大数跨境

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孙永明教授/陆俊研究员 ACS Energy Letters：富锂梯度界面设计助力实际高镍/硅碳高比能全电池

科学材料站

2021-01-07

导读：该工作针对高镍三元正极材料、硅碳基负极材料及其构筑的全电池存在的问题，从正极材料设计出发提出了一种简单、高效的解决方案

文章信息

正极富锂梯度界面设计助力高镍/硅碳高比能全电池

第一作者：刘枭枭，刘同超

通讯作者：孙永明*，陆俊*

第一单位：华中科技大学

研究背景

以高镍三元正极和硅基负极组成的电池是最有希望广泛应用的下一代高能量密度锂离子电池之一。锂离子电池高镍三元正极材料(例如LiNi0.65Mn0.2Co0.15)具有较高的充放电比容量（~175 mAh g-1）、较高的工作电压平台（~3.65 V）和较大的材料真密度（~4.65 g cm-3）以及压实密度（~3.6 g cm-3）等优势，已经成为锂离子电池正极材料研究的热点。

然而，这类材料在电化学循环过程中晶体结构不稳定、容易发生不可逆相变，导致材料的充放电比容量降低、循环性能和倍率性能较差，这些问题严重阻碍着高镍三元材料的产业化应用。其中，Li+/Ni2+混排是影响高镍三元正极材料电化学性能的一个重要因素。硅基负极材料比容量高，但是其首次库伦效率偏低，相当程度消耗了电池体系中电化学活性锂离子的数量，从而导致全电池的能量密度降低。

本工作提出了一种全新的功能性预锂化方案，通过化学反应在高镍三元正极材料界面引入富锂梯度界面的同时调控了体相结构中Li+/Ni2+混排，同步解决了硅基负极首次库伦效率低及高镍三元正极材料的循环稳定性问题，构筑了高能量密度的3Ah软包全电池。

此外，本工作也对材料和电池电化学性能提升机理进行了详细地探究。本文研究成果有助于促进高性能三元正极材料的产业化发展和构筑下一代以高镍三元材料为正极和硅基材料为负极的高能量密度锂离子全电池。

文章简介

近日，华中科技大学孙永明与陆俊研究员团队合作，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Prelithiated Li-Enriched Gradient Interphase toward Practical High-Energy NMC–Silicon Full Cell”的文章。

该工作针对高镍三元正极材料、硅碳基负极材料及其构筑的全电池存在的问题，从正极材料设计出发提出了一种简单、高效的解决方案，并对材料及电池电化学性能提升机理进行了详尽地分析探究，并实现了3Ah级高镍/硅碳高比能软包全电池。

图1. 富锂梯度NMC正极材料设计原理示意图。

图2. 半电池以及软包全电池电化学性能。

图3. 富锂梯度NMC正极材料结构表征。

本文要点

要点一：正极富锂梯度界面层设计解决硅基负极锂损失问题

常见的解决负极锂损失的策略主要有电化学预锂化、化学预锂化和添加剂预锂化。其中，电化学预锂化可控性好，但是预锂化需要电池的预组装-拆解-再组装过程，费工、费时、成本高，不利于实际规模化应用；化学预锂化通常在负极进行，其操作简单、高效，但是常规锂化试剂反应活性高，安全性差、操作条件要求苛刻；添加剂预锂化中正极预锂化与现有电池装配工艺兼容性相对较好，可产业化应用，但是其往往存在供锂容量不够高，锂补偿后有气体产生或者添加剂在极片中分布不均匀等问题，可能对电池综合电化学性能造成一定影响。

在本工作中，我们采用一种拓扑化学反应在高镍三元正极材料表面设计构筑了一个~20nm厚的锂锑度界面层，该界面层在电池首次充电过程中可以释放其中的活性锂离子用于负极锂补偿，而不影响高镍三元正极材料本身的电化学性能，是一种全新的锂补偿策略。

要点二：锂镍混排调控助力高镍三元正极长循环稳定性能

高镍三元正极材料的Li+/Ni2+混排对其电化学性能有重要影响，过高的Li+/Ni2+混排会阻碍锂离子在正极材料中的传输，从而降低材料的倍率性能和比容量；适宜的Li+/Ni2+混排可以提升正极材料的晶体结构稳定性，从而提升正极材料的循环稳定性能。

然而，目前可控调节高镍三元正极材料的Li+/Ni2+混排具有极大挑战性。在本工作中，我们采用简单的室温溶液拓扑化学反应可控地调节高镍三元正极材料的Li+/Ni2+混排程度，并通过优化高镍三元正极材料的Li+/Ni2+混排实现了正极材料循环稳定性能的提升。

要点三：Ah级软包全电池实验验证

我们构筑了商业级极片面积载量的3Ah软包全电池，相比于初始LiNi0.65Mn0.20Co0.15O2/Si/石墨全电池体系，富锂梯度界面层设计和锂镍混排调控的LiNi0.65Mn0.20Co0.15O2/Si/石墨全电池体系首次放电能量密度提升了11% （427 vs. 383 Wh kg−1），同时展现了优异的循环稳定性。

此外，所涉及的正极材料的制备简单高效，电极制备与现有电池装配工艺兼容性好，展现出了非常广阔的实际应用前景。

文章链接

Prelithiated Li-Enriched Gradient Interphase toward Practical High-Energy NMC–Silicon Full Cell

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c02487

通讯作者介绍

孙永明教授。

孙永明教授长期从事新型储能材料和器件的研究工作，在相关领域取得了一系列突出成果，在Science, Nature Energy, Nature Nanotechnology等知名国际期刊发表论文60余篇。其中发表第一作者或通讯作者论文30+篇，包括Nature Energy （2篇）、Nature Communications (1篇)、Advanced Materials （3篇）、Energy & Environmental Science（1篇）、Joule（1篇）、Nano Letters（5篇）、ACS Nano（2篇）、ACS Energy Letters（1篇）、Advanced Energy Materials（1篇）、Advanced Functional Materials（2篇）、Chem (1篇)、Energy Storage Materials（5篇）、Nano Energy (1篇)等。此外，申请国内外专利10余项。据google scholar, 所发论文引用超过11000次，H因子为45。