邱健蓄电池提升硅基锂离子电池性能：以Li5FeO4作为正极预锂化添加剂的研究
来源：
邱健蓄电池 发布时间：2026-03-05 09:55:40 点击： 次
摘要
为提高锂离子电池（LIBs）的能量密度，采用高容量硅基负极替代传统石墨负极是一种极具前景的解决方案。然而，硅负极材料显著的体积Expansion及界面不稳定性会导致其初始Ability快速衰减。5FeO4 (LFO)作为一种高效的牺牲型预锂化添加剂，具有较高的不可逆容量，可补偿因固态电解质界面膜(SEI)形成导致的初始锂损耗。本研究中，LFO在4.58 V（相对于Li/Li+）下展现出539 mAh/g的不可逆容量。+通过在LiCoO2采用LFO预锂化的(LCO)正极后，LCO||Si/C全电池的初始库伦效率与循环稳定性均得到提升。循环后显微分析表明，LFO能有效缓解LCO正极的结构退化，促进更稳定的SEI/CEI界面形成，同时抑制Si/C负极的体积膨胀。因此，利用LFO进行正极预锂化是一种极具前景的Strategy，通过提供额外的不可逆活性锂离子来提高锂离子电池能量密度，从而全面提升电池性能。
引言
随着工业发展，现有锂离子电池（LIBs）已无法满足市场需求，因此亟需开发具有更高能量密度的锂离子电池[1,2]。由于石墨的理论容量上限（370 mAh/g）限制了电池整体能量密度的进一步提升，开发新型负极材料成为研究重点。在众多候选材料中，硅基材料被认为是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料[3]。硅基材料在安全性方面优于金属锂，同时其理论容量（高达4200 mAh/g）远超石墨[4]。此外，得益于更低的体积Expansion和更高的电子导电性，Si/C复合材料表现出比纯硅更优异的稳定性，这使其成为近期最具实用价值的可靠材料选择。尽管硅的引入显著提升了负极容量，但硅基电极在锂嵌入过程中会发生显著的体积膨胀（>300%），导致材料开裂、粉化以及活性物质与集流体之间的接触失效。这种现象进而破坏固体电解质界面（SEI）层的稳定性，造成不可逆的容量衰减和循环性能恶化[[5], [6], [7]]。为解决这一问题，预锂化技术应运而生，该技术通过在正极中引入额外的锂源，以弥补电池化成和循环过程中不可逆的锂损耗。与其他技术相比，正极预锂化具有实际应用优势。该方法不仅通过简单添加少量添加剂即可实现有效预锂化，同时保持主要电极材料和电池结构不变，还与现有锂离子电池制造工艺兼容，因而更易于实现大规模应用。该策略不仅能缓解活性锂损耗问题，还可提升锂离子电池的能量密度和循环稳定性[[8], [9], [10], [11], [12], [13]]。在各类补锂材料中，LiFeO(LFO)因其低成本、易加工以及与现有制造基础设施的高度兼容性，成为商业应用中极具前景的候选材料。LFO的理论容量为867 mAh/g，在首次充电过程中会发生电化学氧化反应，释放多达四个锂离子，如方程(1)、(2)所述[14]。54锂5FeO4→ 锂3FeO3.5+ 0.25氧2燃料费 + 2锂++2电子−锂3FeO3.5→ 铁酸锂2+ 0.75氧气2(燃料费) + 2锂++2电子−本研究中，LFO与LCO正极材料配对使用，以缓解Si/C复合负极中观察到的不可逆容量损失。通过多种表征技术系统评估了LFO对全电池电化学性能的影响。结果表明，LCO正极的预锂化处理能有效补偿LCO||Si/C全电池循环过程中的锂损失。该过程增强了固体电解质界面（SEI）和正极电解质界面层的稳定性，从而提升循环性能并降低硅负极在工作状态下的扩展包现象。
