【复材资讯】破无锂电池“缺锂”困局，外部供锂实现长寿命高倍率储能

07-08 06:48

研究背景

储能电池对可再生能源的稳定利用极为关键。为满足不断增长的能源需求，其寿命和倍率性能有待进一步提高。无锂正极材料在电化学稳定性、倍率性能和成本效益方面优势明显，但与传统石墨负极配对时，因体系缺乏活性锂离子，电池无法正常工作。为应对这一挑战，本文探讨了无锂电池外部供锂所需的供锂材料条件，研究了外部供锂过程的界面电化学机制及其对电极结构和界面的影响，为在电网规模储能中应用长寿命、快速响应的无锂电池提供了可行策略。

文章简介

近日，复旦大学高悦团队在国际知名期刊Advanced Materials上发表了题为“Long-Lifespan and High-Rate Energy Storage Enabled by Lithium-Free Batteries with External Li Supply”的文章。该研究探讨了无锂正极材料在锂离子电池体系中应用面临的核心挑战，通过外部供锂的方式，成功实现了无锂电池在长寿命和高倍率应用方面的突破。

图1.无锂正极材料构建的锂离子电池体系时面临的锂源缺失问题与LiSO2CF3外部供锂补偿机制。

本文要点

要点一：外部供锂分子完全分解且产物无残留

传统补锂剂存在分解电压过高（>4.0 V）、电化学转化不完全以及分解后在电极中残留固体副产物的问题。为解决这些问题，本研究将三氟甲磺酸锂（LiSO2CF3）作为电解液添加剂，应用于石墨|TiS₂软包电池体系。该添加剂在3.8 V电压下能稳定地发生电化学分解，为体系供应锂离子。研究显示，LiSO2CF3在分解过程中完全转化为SO2与CHF3/C2F6等气体，无固体残留物。由于气体副产物在化成阶段被排出电池体系，解决了传统补锂剂副产物累积的问题，有利于电池的长期稳定运行。

图2.LiSO2CF3外部供锂分子的完全转化及无残留供锂机制。

要点二：供锂过程对电极结构无损伤

电极结构的完整性对维持电池的长期稳定循环至关重要。传统的正极补锂添加剂（如Li2C4O4）需混合在正极材料中使用，其分解时会在正极结构中生成孔洞和裂纹，破坏电极的导电网络。而将负极补锂剂直接加入电池体系，会导致正极粘结剂失效，影响电极完整性。为克服这些问题，本研究将LiSO2CF3作为电解液添加剂引入电池体系，作为外部供锂分子。通过电子显微镜及超声成像分析，LiSO₂CF₃的供锂过程不会损伤电极结构，能有效避免电极完整性被破坏。

图3.LiSO2CF3外部供锂过程无损性及与其他补锂策略的对比。

要点三：供锂方式与体系兼容性良好

电极界面的组成是决定电池长周期循环稳定性的另一个关键因素。本研究利用X射线光电子能谱（XPS）分析了LiSO2CF3供锂过程对TiS2正极电解质界面层（CEI）和石墨负极电解质界面层（SEI）的影响。结果表明，外部供锂过程不会在正极侧引发额外副反应，供锂过程中释放的锂离子成功嵌入石墨负极，为电池循环提供了活性介质。