合金负极辊压预锂化技术提升固态电池性能与循环稳定性

这篇综述介绍了通过辊压预锂化（prelithiation）技术提升合金负极（Si/Al/Sn等）在固态电池（SSB）中的性能。研究采用温控辊压法将锂箔与合金电极直接反应，形成均匀预锂化层，显著提高初始库仑效率（ICE>150%）和循环稳定性（>400次@2 MPa）。该方法兼容卷对卷（roll-to-roll）生产，解决了传统化学/电化学预锂化的工艺复杂性问题，为高能量密度固态电池的实用化提供新路径。

　　

合金负极辊压预锂化技术的突破性进展

引言

固态电池（SSB）因其高安全性和能量密度成为下一代储能技术的研究热点。然而，合金负极（如Si、Al、Sn）在循环过程中存在锂扩散陷阱（Li trapping）问题，导致初始库仑效率（ICE）低下和容量衰减。传统预锂化方法如电化学法或化学溶液法存在工艺复杂、安全性差等缺陷。本研究提出了一种创新的辊压预锂化技术，通过机械力驱动锂金属与合金电极的固态反应，实现了高效、可控的预锂化过程。

机械预锂化方法

研究团队设计了一种温控辊压（150°C）工艺：将厚度可控的锂箔（20 μm对应50%预锂化度）与合金电极（箔型或浆料涂布型）在铜支撑箔上辊压反应。该方法在Al、Si、Sn及多相合金（如Al₉₅In₅）中均获得成功。预锂化后的Al箔呈现双层结构（LiAl合金层+未反应Al基体），而Si电极则形成均一的Li_xSi单层。通过调控锂箔厚度，可实现25%-75%的精确预锂化控制。

多相箔电极的独特优势

在多相Al₉₅In₅和Al₉₅Bi₅箔电极中，研究发现In相优先形成3D连通的LiIn网络（电极电位高于Al），显著提升锂离子传输速率。相比之下，颗粒状Bi相因分散性导致反应不完全。预锂化后的Al₉₅In₅在Li₆PS₅Cl固态电解质中表现出188.5%的ICE和7.95 mAh cm^?2的面容量，远超纯Al电极（ICE≈70%）。

电化学性能突破

在50 MPa堆压条件下，预锂化Si电极的临界电流密度（CCD）达13.5±0.8 mA cm^?2，创下SSB中硅基电极的纪录。多相Al₉₅In₅电极因LiIn网络的快速输运特性，CCD提升至5.8 mA cm^?2（纯Al仅1.6 mA cm^?2）。全电池测试中，预锂化电极与NMC622正极匹配时，平均面容量达2.47 mAh cm^?2（100次循环容量保持率>90%）。

低堆压实用化探索

通过引入2 μm铟界面层（反应生成LiIn），预锂化Al₉₅In₅电极在2 MPa超低堆压下实现400次稳定循环（容量衰减率仅0.175%/次）。高温测试（60°C）进一步将面容量提升至2.2 mAh cm^?2，证实了该技术的实际应用潜力。

结论

这项研究开发的辊压预锂化技术，通过精准控制合金微观结构和界面工程，成功解决了固态电池中合金负极的锂损失难题。其与卷对卷制造的兼容性，为高能量密度SSB的规模化生产提供了关键技术支撑。未来可通过优化多相组分比例和界面层材料，进一步降低工艺温度并提升倍率性能。