采用硅基負(fù)極材料制備的高能鋰離子電池（LIBs）通常由于負(fù)極的機(jī)械失效而導(dǎo)致循環(huán)壽命較短，更重要的是，由于在初始充電期間不可逆地消耗正極鋰，會(huì)導(dǎo)致電池的電化學(xué)失效。(電)化學(xué)預(yù)鋰化已顯示出有希望補(bǔ)償初始鋰的損失并改善電池的循環(huán)性能。然而，以前直接應(yīng)用于負(fù)極或正極的策略可能會(huì)引起對(duì)安全和電極結(jié)構(gòu)退化的擔(dān)憂，并且與電池的工業(yè)制造不太兼容。

圖1. 三種預(yù)鋰化策略的示意圖

中科院化學(xué)所郭玉國(guó)、辛森等提出了一種功能性的預(yù)鋰化隔膜，以補(bǔ)償負(fù)極鋰的損失，并使高能量的LIBs具有長(zhǎng)循環(huán)壽命。反氟石Li₅FeO₄（LFO）作為預(yù)鋰化劑被支撐在隔膜的一側(cè)，通過(guò)附著在正極上，它在最初的形成過(guò)程中通過(guò)四電子氧化還原反應(yīng)提供了701 mAh g^-1的大不可逆容量。通過(guò)使用功能隔膜，NCM811||SiO_x/G全電池的可逆容量提高了＞40%，這使得3-Ah軟包電池的電池級(jí)比能量穩(wěn)定在330 Wh kg^-1，可以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的里程需求。

此外，功能性隔膜的預(yù)鋰化與目前的LIB制備兼容，并且對(duì)電池的形成和運(yùn)行沒(méi)有顯示出不利影響。預(yù)鋰化劑在隔膜上的面質(zhì)量負(fù)載（面容量）可以調(diào)整，以精確匹配不同LIB負(fù)極的Li⁺補(bǔ)給能力。

圖2. 功能性隔膜的制備和物理化學(xué)特性

特別是，在＞2.8 vs. Li⁺/Li時(shí)，帶電的LFO支持的功能隔膜幾乎沒(méi)有任何放電能力，因此它可以適應(yīng)各種正-負(fù)極組合的使用。在較低的放電截止電壓下，隔膜恢復(fù)了一些鋰的插層能力，因此它可以防止在局部過(guò)鋰化的情況下在負(fù)極上形成枝晶。另外，通過(guò)對(duì)LFO支持的隔膜進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)和應(yīng)對(duì)早期枝晶形成的智能功能隔膜。

例如，通過(guò)先在隔膜的負(fù)極面涂上一層枝晶反應(yīng)材料（如磷或與金屬鋰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料），然后再涂上絕緣層，任何通過(guò)隔膜傳播的枝晶都可以與反應(yīng)層發(fā)生反應(yīng)，從而引起電壓波動(dòng)，這可以被電池管理系統(tǒng)（BMS）識(shí)別。對(duì)電壓波動(dòng)的精確檢測(cè)將有助于識(shí)別負(fù)極過(guò)鋰化區(qū)域枝晶的形成，以便BMS可以對(duì)電池進(jìn)行放電以電化學(xué)地溶解枝晶。在該領(lǐng)域的更多努力將有助于創(chuàng)造一個(gè)安全和可持續(xù)的高能量可充鋰離子電池。

圖3. 基于LFO-FS的全電池的示意圖和電化學(xué)性能

A Functional Prelithiation Separator Promises Sustainable High-Energy Lithium-Ion Batteries. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202300507