清华大学《Nature Energy》：高性能可扩展锂离子电池预锂化方法！

预锂化可以提高锂离子电池的性能，当前迫切需要一种具有高质量和高工业兼容性的高效益预锂化方法。清华大学伍晖教授和李晓雁教授合作开发了一种用于锂离子电池负极连续预锂化的卷对卷电沉积和转移印刷体系。通过卷对卷压延，预制负极可以完全转移印刷到电沉积的锂金属上，转印过程中的界面分离和粘附分别与界面剪切力和压应力有关。通过简单的转移印刷预锂化，在石墨和硅/碳复合电极半电池中分别获得了99.99%和99.05%的高首次库仑效率，且全电池中的首次库仑效率和能量密度通过预锂化电极显著提高。卷对卷转移印刷法为锂离子电池提供了一种高性能、可控、可扩展和行业适应性强的预锂化方法。相关研究成果以“Roll-to-roll prelithiation of lithium-ion battery anodes by transfer printing”为题发表在Nature Energy上。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01272-1

提高锂离子电池的能量密度一直是一个关键且具有挑战性的研究领域。对于锂电池，在负极上形成固态电解质界面膜（SEI）会消耗大量的锂离子，并导致低的初始库仑效率（ICE）和严重的能量密度衰减。例如，当使用商用石墨负极时，锂离子电池正极容量的5-15%在这些反应中被消耗。此外，对于下一代高能量密度硅基负极，由于纳米结构硅负极中形成的SEI的表面积增加，锂损失可能会更严重地损害能量密度。预锂化被认为是解决活性锂损失问题和提高下一代锂离子电池能量密度的有效方法。

稳定的锂金属粉末作为预锂化添加剂，在电池组装过程中电解质渗透后与负极活性材料反应，已经得到了深入的研究。它已被证明是一种简单直接的预锂化方法，适用于大规模生产。然而，这种方法在稳定的锂金属粉末的生产和分散过程中成本高，存在锂粉末的潜在安全隐患以及大规模使用有毒有害溶剂如甲苯来分散锂粉末。在负极上添加一片锂金属箔是负极预锂化的另一种常见方法，在商业锂电池中，活性锂的损失低于1 mAh cm⁻²，这表明精确的补锂需要极薄的锂金属箔（厚度<5μm）。然而，厚度低于20μm的自支撑锂金属箔由于其机械脆性而超出了传统挤压技术的范围。通过电镀充放电或牺牲负极短路实现的电化学方法也构成了扩大预锂化负极生产的潜在选择，这些方法可以精确地调整负极的锂化程度。然而，它们需要临时的半电池或复杂的重新组装过程，此外，负极必须在浸入锂电池的电解质中后进行清洁和重新组装。将负极浸入含锂溶液（如联苯锂/四氢呋喃、萘锂/甲氧基甲烷）中进行化学预锂也是一种很有前途的方法。然而，典型的预锂溶液由于其比石墨更高的氧化还原电位而不能与石墨负极反应。因此，电化学和化学预锂化方法都很难与目前使用的卷对卷工艺电池组件联系起来。目前已经进行了一些尝试，将预锂化与卷对卷工艺相结合，然而这些方法由于其复杂性、可行性低或缺乏普遍性而受到限制。因此，人们期待并迫切需要一种成本效益高、可控且适用于工业的负极预锂化方法。

作者开发了一种卷对卷转移印刷法的预锂化方法，通过优化电沉积参数，在集流体上沉积了可控量的金属锂，利用沉积的锂和负极层之间的强结合力，采用电极转移印刷工艺将活性材料转移到电极上。用这种方法成功地制备了预锂化石墨和硅/碳（Si/C）复合负极。两种负极都表现出改善的首次库伦效率（分别为99.99%和99.05%）和稳定的循环性能。预锂化电极显著地提高了Li（NiCoMn）_1/3O₂（NCM）和LiFePO₄（LFP）全电池的首次库伦效率和能量密度。通过有限元建模，进一步揭示了转印过程的动力学细节和潜在机制。在此基础上，设计了一种用于预锂化负极连续生产的卷对卷电沉积和转移印刷系统，实现了从集流体到预锂化负极的连续生产工艺，可以普遍应用于制造各种电极，并可以很好地与传统的卷对卷电池生产工艺相匹配。（文：李澍）

图1单面预锂化石墨电极的制作

图2预锂化石墨电极的性能

图3预锂化石墨和预锂化硅碳电极的电化学性能

图4预锂化全电池首次库伦效率的提高和循环稳定性

图5预锂化负极轧制凹陷的有限元模拟

图6界面分离和粘附的跟踪和模拟

图7转印负极的卷对卷制备