锂预储实现高首效和空气稳定的富锂硅碳负极材料

硅基负极因其成本低廉和理论比容量高的特性已成为锂离子电池最具发展潜力的负极材料之一。然而，低首次库仑效率和差的循环性能限制了其大规模商业化应用。目前，学术界和工业界已提出多种预锂化方法以弥补硅基负极材料首次充放电过程中的不可逆锂损失，但这些方法普遍存在成本高、空气敏感和安全性差等问题。因此，在硅基材料的预锂化中，实现空气稳定和高首效之间的平衡是一个关键问题。

近期，中国科学院上海硅酸盐研究所的张涛（点击查看介绍）团队采用“微刻碳”技术制备了具有丰富锂官能团的多孔石墨，将其与纳米硅复合，制备出一种在空气环境下可稳定存在的锂化硅碳负极材料。

在“微刻碳”技术中，使用催化金属和LiOH共同刻蚀石墨可实现锂元素在石墨材料中的预储存。研究发现，富锂多孔石墨与纳米硅在高温下可建立化学相互作用，形成表面锂官能团与相邻硅的O-Li-Si微结构。这种结构通过Li-Si成键实现了硅颗粒的原位预锂化，同时O和Si对Li的强束缚限制了锂的解离，可提高锂化硅碳材料的化学稳定性。另外，DFT理论模拟计算和电化学测试表明，锂预储的硅碳材料经过材料嵌锂的锂化过程，O-Li-Si微结构发生改变，锂的解离能显著下降，从而实现了负极材料的锂脱出，可提高硅碳材料的首次库伦效率。

图1. LESG的制备、形貌结构和LESG中锂元素的表征

最终，该预储锂的硅碳负极材料表现出在空气和水环境下的高稳定性，并且在锂化后表现出高的首次库伦效率。该工作为高稳定性硅基负极材料的预锂化方法开辟了一条有希望的路径。

图2. LESG的电化学性能和高空气稳定、高ICE的机制

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition，文章的第一作者是中国科学院上海硅酸盐研究所的博士研究生高英杰，通讯作者是张涛研究员和孙壮副研究员。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Lithium Pre-Storage Enables High Initial Coulombic Efficiency and Stable Lithium-Enriched Silicon/Graphite Anode

Ying-Jie Gao, Cheng-Hao Cui, Zhi-Kun Huang, Guo-Yu Pan, Yuan-Fan Gu, Ya-Nan Yang, Fan Bai，Zhuang Sun, Tao Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202404637

导师介绍

张涛

https://www.x-mol.com/university/faculty/16374