无盐介质助力电极预锂化技术突破——实现快充高能锂离子电池新路径

本研究针对硅基负极锂离子电池(LIBs)存在的活性锂损耗和反应动力学迟缓问题，创新性地提出采用环状碳酸酯介质（如FEC）实现电极均匀预锂化的新策略。通过调控Li+浓度平衡扩散与反应速率，该方法不仅补偿了初始锂损失（提升42.7%能量密度），还构建了富含LiF的稳定SEI界面，使Si/C||LiCoO2软包电池在10C快充下实现80.9%容量保持率，循环衰减率低至0.047%/次。该技术具有普适性，适用于多种电极材料和工业化生产。

　　

在追求更高能量密度和更快充电速度的锂离子电池(LIBs)竞赛中，硅(Si)基负极材料因其理论容量高达3579 mAh g^-1而备受瞩目。然而这一"高能选手"却面临两大致命短板：首次循环中超过15%的活性锂(Li)不可逆损耗直接拉低电池能量密度，而缓慢的反应动力学又严重制约其快充性能。更棘手的是，传统预锂化技术虽能补充锂损耗，但高浓度电解液介质(1M LiPF₆)会导致电极深度方向预锂化不均，引发材料损伤和锂离子传输屏障，形成"拆东墙补西墙"的困局。

Yangtao Ou和Yongming Sun团队在《Nature Communications》发表的这项研究，犹如为这个困局找到了一把"万能钥匙"。研究人员独辟蹊径地发现，环状碳酸酯溶剂与金属锂反应可原位产生毫摩尔级(mM)Li⁺，这种"无盐介质"能完美平衡Li⁺扩散与材料本征反应速率。就像交响乐指挥协调各声部，这种动态平衡使得整个电极厚度方向实现时空均匀的预锂化，既避免了局部过反应导致的"鼓包开裂"，又为后续循环培育出理想的离子传输通道。

研究团队采用多尺度研究方法，通过电化学模拟(PyBaMM)揭示低Li⁺浓度介质(约10 mM)的关键作用机制，结合原位光谱技术(FTIR、Raman)解析溶剂-Li反应产物，借助Auger电子能谱(AES)和透射电镜(TEM)证实电极深度方向Li分布均匀性及SEI界面特性。对Ah级Si/C||LiCoO₂软包电池的系统评估，则通过恒流-恒压(CC-CV)协议、电化学阻抗谱(EIS)和循环伏安(CV)等实现性能量化。

【Prelithiation protocols with different mediums】章节通过理论计算与实验验证，阐明高浓度(>0.1M)介质导致电极表面过预锂化(R_p值高)与深度方向浓度梯度，而FEC等介质产生的7 mM Li⁺可实现λ参数优化，使50μm厚电极保持均匀锂化。

【Characterizations of Si/C anode with FEC-mediated prelithiation】部分显示，FEC介质预锂化的F-Si/C电极厚度变化<5%，AES证实Li含量在20μm深度内波动<2%。形成的SEI富含50.5 wt.% LiF和无机组分(78 wt.%)，厚度仅20nm且分布均匀，Li⁺扩散活化能(E_a)降至52.3 kJ mol^-1，显著优于传统电解液预锂化(E-Si/C)的62.4 kJ mol^-1。

【Fast-charging capability】环节的突破性数据显示，F-Si/C||LiCoO₂软包电池在10C(6分钟)快充下容量利用率达80.9%，400次4C循环容量衰减率仅0.02%/次，远超文献报道的Si基电池快充性能。

【Prelithiation mechanism】部分通过FTIR和质谱鉴定出C₃H₃O₃FLi⁺等可溶性锂烷基碳酸盐，分子动力学模拟显示环状碳酸酯的高极性指数(MPI=6.2)促进LiEC解离，而长链产物则自组装为保护性SEI网络。

【Application to various electrodes】证实该方法具有普适性，8×25 cm²的Si/C电极预锂化后无结构损伤，且成功拓展至NCM622正极预锂化，捐赠容量达23 mAh g^-1而不影响材料稳定性。

这项研究颠覆了传统预锂化技术范式，通过"介质浓度调控"这一精巧的分子工程策略，同步攻克了硅基电池的能量密度、快充性能和循环寿命三大瓶颈。其科学价值在于揭示了电极过程动力学与介质物性的定量关系，技术突破则体现在：首次实现无外加锂盐的预锂化工艺，避免盐残留问题；建立的"浓度-均匀性"调控准则可推广至其他电极体系；开发的卷对卷预锂化装置已具备工业化雏形。正如研究者指出，这种"一石三鸟"的解决方案，为电动汽车和智能电网所需的高性能储能器件提供了切实可行的技术路径。