锂离子电池硅基负极材料的预锂化研究进展

doi:10.7503/cjcu20200503

摘要/Abstract

摘要：

锂离子二次电池已成为日常生活中不可或缺的一部分, 而现有的锂离子电池并不能完全满足电动汽车领域高能量密度的要求, 发展具有高能量密度的电极材料是解决问题的关键. 硅负极因理论比容量高、脱嵌锂电位低、来源广泛等优点而备受关注, 但其巨大的体积变化(约300%)以及低的首次库仑效率阻碍了其商业应用. 预锂化技术可以有效提高首次库仑效率、实现高性能硅基负极, 本文阐述了预锂化的科学必要性, 介绍了各种预锂化的方法以及优缺点, 最后对硅基负极预锂化应用的挑战和前景进行了展望.

关键词: 硅负极, 首次库仑效率, 预锂化, 高性能硅基负极

Abstract:

Secondary lithium-ion battery（LIB） plays an important role in our daily life， however， state-of- the-art LIBs cannot meet the high-energy-density demand of electric vehicles and large-scale gird， developing high-capacity electrode materials is a must. Recently， Si anode has attracted much attention due to its high theoretical specific capacity， low electrochemical potential， and abundance in the earth’s crust， but the large volume change（ca. 300%） during cycling and low initial Coulombic efficiency（ICE） severely hinder its practical applications. Prelithiation as a promising strategy has been proven effective to improve the ICE for high- performance Si-based anodes. This review focuses on demonstrating the scientific significance of prelithiation， systemically introducing various methods of prelithiation by recent advances and analyzing their own advan- tages and disadvantages， and finally proposing the challenges and prospects of the prelithiation of Si-based anodes.

Key words: Si anode, Initial Coulombic efficiency, Prelithiation, High-performance Si-based anode

中图分类号:

O646

TrendMD:

李世恒, 王超, 鲁振达. 锂离子电池硅基负极材料的预锂化研究进展. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1530.

LI Shiheng, WANG Chao, LU Zhenda. Challenges and Recent Progress of Prelithiation for Si-Based Anodes in Lithium-ion Batteries. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(5): 1530.

图/表 10

Table 1 A brief introduction and a summary of the advantages and disadvantages of various prelithiation methods

Method

Introduction

Advantages and disadvantages

Stable lithium micron

particles(SLMP)

SLMP are directly coated on the silicon electrode or

mixed into the silicon anode slurry

Simple operation, controllable degree of prelithiation,

but expensive and holes generated in the electrode

after cycling

Lithium metal additives

Lithium foil is added directly to the silicon electrode

Low cost and simple operation

Self?discharge lithiation

Tightly contacting electrode with lithium metal in the

presence of electrolyte

No voltage is needed, but it is difficult to precisely

control the degree of prelithiation

Electrochemical lithiation

Needing temporary battery construction and electric

shorting the electrode and lithium metal

Precisely controlling the degree of lithium, but more

complicated

Thermal lithiation

Prelithiating silicon with molten lithium

The degree of prelithiation can be controlled, but the

resulting lithium silicon alloy has poor compatibility

with conventional solvents

Organic?lithium prelithiation

Prelithiating silicon with organic?lithium in solvent

Difficult to control the amount of organic?lithium and

requiring an additional solvent cleaning process

Fig.1 SEM image of SLMP(A)[20], illustration of pressure activated SLMP(B, C), first?cycle charge?discharge curves in different conditions(D)[34], schematics of the utilization of SLMP for the SiO electrode(E), SEM image of SLMP particles loaded on the SiO electrode(F) and full cell performance with or without SLMP additive(G)[36](A) Copyright 2018, MDPI; (B―D) Copyright 2013, American Chemical Society; (E―G) Copyright 2014, American Chemical Society.

Fig.2 Schematic of the process to prepare ambient?air?stable lithiated anode(A), different curves correspond to exposure to air for various times(B) and amount of active lithium extracted in the first delithiation versus time exposed to air(C)[41]Copyright 2016, American Chemical Society.

Fig.3 Schematic diagrams showing the prelithiation of SiNWs on stainless steel(SS) foil and the internal electron and Li+ pathways during the prelithiation(A), SEM images of SiNWs before(B) and after 10 min prelithiation(C)[44], illustration of Li?ion and electron transfer in the direct contact prelithiation process(D) and resistance buffer layer(RBL)?regulated prelithiation process(E)[51], voltage profiles of the full cell adopting the lithiated Si?SiOx nanosphere without(F) and with RBL(G)[50], and voltage profiles of Si/C?IWGS(H) and pretreated Si/C?IWGS(I)[45](A―C) Copyright 2011, American Chemical Society; (D), (E) Copyright 2019, American Chemical Society; (F), (G) Copyright 2015, American Chemical Society; (H), (I) Copyright 2014, Wiley?VCH.

Fig.4 Graphical illustration of prelithiation process of c?SiOx electrode and its scalable roll?to?roll process scheme(A)[52] and schematic diagrams of electrolytic cell with a Cu pitting corrosion type anodic half cell in aqueous electrolyte and a Li?battery type cathodic half cell in gel polymer electrolyte(B)[59](A) Copyright 2016, American Chemical Society; (B) Copyright 2015, Wiley?VCH.

Fig.5 Schematic diagram showing Si NPs react with melted Li to form LixSi NPs(A), first?cycle delithiation capacity of LixSi?Li2O NPs with different solvents(B), first?cycle voltage profiles of Si NPs/LixSi?Li2O and Si NPs(C)[63], schematic diagram of the artificial SEI coating formed on the surface of LixSi NPs(D), TEM images of LixSi NPs before(E) and after coating(F)[60], and schematic diagram showing a one?pot metallurgical process to synthesize Li22Z5 alloys and Li22Z5?Li2O composites(G)[61](A―C) Copyright 2014, Springer Nature; (D―F) Copyright 2015, American Chemical Society; (G) Copyright 2017, Elsevier.

Fig.6 Scheme illustrating the high?energy ball?milling process(A), XRD data(B) and FTIR characte?rization(C)[65] of the high?energy ball?milled products and schematic for design of core?shell structure of a?Li21Si5@C(D)[70](A―C) Copyright 2014, American Chemical Society; (D) Copyright 2018, Elsevier.

Fig.8 Schematic of the fabrication process for LixSi?Li2O/TiyOz core?shell NPs(A), TEM image of the resultant LixSi?Li2O/TiyOz NPs(B)[74], schematic of the thermal lithiation process for LixSi/Cu alloy composites fabrication(C), EDS elemental mapping analysis of an individual LixSi/Cu composites particle(D)[75] and schematic illustration of the fabrication process of LixSn@PPy NPs(E)[76](A, B) Copyright 2018, American Chemical Society; (C, D) Copyright 2019, Elsevier; (E) Copyright 2019, Elsevier.

Fig.9 Change in the rest potential of LixSiO electrode(A)[78], potentials of selected materials(B), mapped electrostatic potential(MEP) surfaces of naphthalene anion and n?butyl anion(C) and charge?discharge profiles of nano?Si and prelithiated Si anodes(D)[79](A) Copyright 2005, Elsevier; (B—D) Copyright 2019, American Chemical Society.

参考文献 81

1	Cano Z. P.， Banham D.， Ye S.， Hintennach A.， Lu J.， Fowler M.， Chen Z.， Nat. Energy， 2018， 3（4）， 279—289
2	Lu J.， Chen Z.， Ma Z.， Pan F.， Curtiss L. A.， Amine K.， Nat. Nanotechnol.， 2016， 11， 1031—1038
3	Armand M.， Tarascon J. M.， Nature， 2008， 451， 652—657
4	Aravindan V.， Lee Y. S.， Madhavi S.， Adv. Energy Mater.， 2015， 5（13）， 1402225
5	Chen L.， Fan X.， Ji X.， Chen J.， Hou S.， Wang C.， Joule， 2019， 3（3）， 732—744
6	Cheng X. B.， Zhang R.， Zhao C. Z.， Zhang Q.， Chem. Rev.， 2017， 117（15）， 10403—10473
7	Li L.， Raji A. R.， Tour J. M.， Adv. Mater.， 2013， 25（43）， 6298—6302
8	Liu D.， Liu Z. j.， Li X.， Xie W.， Wang Q.， Liu Q.， Fu Y.， He D.， Small， 2017， 13（45）， 1702000
9	Jin Y.， Zhu B.， Lu Z.， Liu N.， Zhu J.， Adv. Energy Mater.， 2017， 7（23）， 1700715
10	Obrovac M. N.， Chevrier V. L.， Chem. Rev.， 2014， 114（23）， 11444—11502
11	Zhu B.， Wang X.， Yao P.， Li J.， Zhu J.， Chem. Sci.， 2019， 10（30）， 7132—7148
12	Liu N.， Lu Z.， Zhao J.， McDowell M. T.， Lee H. W.， Zhao W.， Cui Y.， Nat. Nanotechnol.， 2014， 9（3）， 187—192
13	Kwon Y. H.， Minnici K.， Park J. J.， Lee S. R.， Zhang G.， Takeuchi E. S.， Takeuchi K. J.， Marschilok A. C.， Reichmanis E.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140（17）， 5666—5669
14	Xu Q.， Sun J. K.， Yu Z. L.， Yin Y. X.， Xin S.， Yu S. H.， Guo Y. G.， Adv. Mater.， 2018， 30（25）， 1707430
15	Zhang Z.， Wang Z. L.， Lu X.， ACS Nano， 2018， 12（4）， 3587—3599
16	Chevrier V. L.， Liu L.， Wohl R.， Chandrasoma A.， Vega J. A.， Eberman K. W.， Stegmaier P.， Figgemeier E.， J. Electrochem. Soc.， 2018， 165（5）， A1129—A1136
17	Verma P.， Maire P.， Novák P.， Electrochim. Acta， 2010， 55（22）， 6332—6341
18	Tripathi A. M.， Su W. N.， Hwang B. J.， Chem. Soc. Rev.， 2018， 47（3）， 736—851
19	Aravindan V.， Lee Y. S.， Madhavi S.， Adv. Energy Mater.， 2017， 7（17）， 1602607
20	Holtstiege F.， Bärmann P.， Nölle R.， Winter M.， Placke T.， Batteries， 2018， 4（1）， 4
21	Ji L.， Zheng H.， Ismach A.， Tan Z.， Xun S.， Lin E.， Battaglia V.， Srinivasan V.， Zhang Y.， Nano Energy， 2012， 1（1）， 164—171
22	Asadi M.， Sayahpour B.， Abbasi P.， Ngo A. T.， Karis K.， Jokisaari J. R.， Liu C.， Narayanan B.， Gerard M.， Yasaei P.， Hu X.， Mukherjee A.， Lau K. C.， Assary R. S.， Khalili⁃Araghi F.， Klie R. F.， Curtiss L. A.， Salehi⁃Khojin A.， Nature， 2018， 555（7697）， 502—506
23	Liu X.， Huang J. Q.， Zhang Q.， Mai L.， Adv. Mater.， 2017， 29（20）， 1601759
24	Griffith K. J.， Wiaderek K. M.， Cibin G.， Marbella L. E.， Grey C. P.， Nature， 2018， 559（7715）， 556—563
25	Hua X.， Robert R.， Du L. S.， Wiaderek K. M.， Leskes M.， Chapman K. W.， Chupas P. J.， Grey C. P.， J. Phy. Chem. C， 2014， 118（28）， 15169—15184
26	Jarvis C. R.， Lain M. J.， Yakovleva M. V.， Gao Y.， J. Power Sources， 2006， 162（2）， 800—802
27	Vaughey J.， Liu G.， Zhang J. G.， Mrs Bull.， 2014， 39（5）， 429—435
28	Li Y.， Fitch B.， Electrochem. Commun.， 2011， 13（7）， 664—667
29	Wang Z.， Fu Y.， Zhang Z.， Yuan S.， Amine K.， Battaglia V.， Liu G.， J. Power Sources， 2014， 260， 57—61
30	Ai G.， Wang Z.， Zhao H.， Mao W.， Fu Y.， Yi R.， Gao Y.， Battaglia V.， Wang D.， Lopatin S.， Liu G.， J. Power Sources， 2016， 309， 33—41
31	Jarvis C. R.， Lain M. J.， Gao Y.， Yakovleva M.， J. Power Sources， 2005， 146（1/2）， 331—334
32	Wang L.， Fu Y.， Battaglia V. S.， Liu G.， RSC Adv.， 2013， 3（35）， 15022—15027
33	Xiang B.， Wang L.， Liu G.， Minor A. M.， J. Electrochem. Soc.， 2013， 160（3）， A415—A419
34	Forney M. W.， Ganter M. J.， Staub J. W.， Ridgley R. D.， Landi B. J.， Nano Lett.， 2013， 13（9）， 4158—4163
35	Pan Q.， Zuo P.， Mu T.， Du C.， Cheng X.， Ma Y.， Gao Y.， Yin G.， J. Power Sources， 2017， 347， 170—177
36	Zhao H.， Wang Z.， Lu P.， Jiang M.， Shi F.， Song X.， Zheng Z.， Zhou X.， Fu Y.， Abdelbast G.， Nano Lett.， 2014， 14（11）， 6704—6710
37	Marinaro M.， Weinberger M.， Wohlfahrt⁃Mehrens M.， Electrochim. Acta， 2016， 206， 99—107
38	Pu K.， Qu X.， Zhang X.， Hu J.， Gu C.， Wu Y.， Gao M.， Pan H.， Liu Y.， Adv. Sci.， 2019， 6（24）， 1901776
39	Sun H.， He X.， Ren J.， Li J.， Jiang C.， Wan C.， Electrochim. Acta， 2007， 52（13）， 4312—4316
40	Ye R.， Bell J.， Patino D.， Ahmed K.， Ozkan M.， Ozkan C. S.， Sci. Rep.， 2017， 7（1）， 17264
41	Cao Z.， Xu P.， Zhai H.， Du S.， Mandal J.， Dontigny M.， Zaghib K.， Yang Y.， Nano Lett.， 2016， 16（11）， 7235—7240
42	Kulova T. L.， Skundin A. M.， J. Solid State Electr.， 2003， 8（1）， 59—65
43	Kulova T. L.， Skundin A. M.， Russ. J. Electrochem.， 2010， 46（4）， 470—475
44	Liu N.， Hu L.， McDowell M. T.， Jackson A.， Cui Y.， ACS Nano， 2011， 5（8）， 6487—6493
45	Chae C.， Noh H. J.， Lee J. K.， Scrosati B.， Sun Y. K.， Adv. Funct. Mater.， 2014， 24（20）， 3036—3042
46	Shi L.， Liu Y.， Wang W.， Wang A.， Jin Z.， Wu F.， Yang Y.， J. Alloy. Compd.， 2017， 723， 974—982
47	Pu X.， Yang G.， Yu C.， Nano Energy， 2014， 9， 318—324
48	Kim H. S.， Jeong T. G.， Kim Y. T.， J. Electrochem. Sci. Te.， 2016， 7（3）， 228—233
49	Hassoun J.， Jung H. G.， Lee D. J.， Park J. B.， Amine K.， Sun Y. K.， Scrosati B.， Nano Lett.， 2012， 12（11）， 5775—5779
50	Lee S. K.， Oh S. M.， Park E.， Scrosati B.， Hassoun J.， Park M. S.， Kim Y. J.， Kim H.， Belharouak I.， Sun Y. K.， Nano Lett.， 2015， 15（5）， 2863—2868
51	Meng Q.， Li G.， Yue J.， Xu Q.， Yin Y. X.， Guo Y. G.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2019， 11（35）， 32062—32068
52	Kim H. J.， Choi S.， Lee S. J.， Seo M. W.， Lee J. G.， Deniz E.， Lee Y. J.， Kim E. K.， Choi J. W.， Nano Lett.， 2015， 16（1）， 282—288
53	Krause A.， Dörfler S.， Piwko M.， Wisser F. M.， Jaumann T.， Ahrens E.， Giebeler L.， Althues H.， Schädlich S.， Grothe J.， Jeffery A.， Grube M.， Brückner J.， Martin J.， Eckert J.， Kaskel S.， Mikolajick T.， Weber W. M.， Sci. Rep.， 2016， 6（1）， 27982
54	Fridman K.， Sharabi R.， Elazari R.， Gershinsky G.， Markevich E.， Salitra G.， Aurbach D.， Garsuch A.， Lampert J.， Electrochem. Commun.， 2013， 33， 31—34
55	Elazari R.， Salitra G.， Gershinsky G.， Garsuch A.， Panchenko A.， Aurbach D.， Electrochem. Commun.， 2012， 14（1）， 21—24
56	Elazari R.， Salitra G.， Gershinsky G.， Garsuch A.， Panchenko A.， Aurbach D.， J. Electrochem. Soc.， 2012， 159（9）， A1440—A1445
57	Derrien G.， Hassoun J.， Panero S.， Scrosati B.， Adv. Mater.， 2007， 19（17）， 2336—2340
58	Wan Y.， Wang L.， Chen Y.， Xu X.， Wang Y.， Teng C.， Zhou D.， Chen Z.， J. Alloy. Compd.， 2018， 740， 830—835
59	Zhou H.， Wang X.， Chen D.， ChemSusChem， 2015， 8（16）， 2737—2744
60	Zhao J.， Lu Z.， Wang H.， Liu W.， Lee H. W.， Yan K.， Zhuo D.， Lin D.， Liu N.， Cui Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2015， 137（26）， 8372—8375
61	Zhao J.， Sun J.， Pei A.， Zhou G.， Yan K.， Liu Y.， Lin D.， Cui Y.， Energy Storage Mater.， 2018， 10， 275—281
62	Iwamura S.， Nishihara H.， Ono Y.， Morito H.， Yamane H.， Nara H.， Osaka T.， Kyotani T.， Sci. Rep.， 2015， 5， 8085
63	Zhao J.， Lu Z.， Liu N.， Lee H. W.， McDowell M. T.， Cui Y.， Nat. Commun.， 2014， 5（1）， 5088
64	Zhao J.， Lee H. W.， Sun J.， Yan K.， Liu Y.， Liu W.， Lu Z.， Lin D.， Zhou G.， Cui Y.， P. Natl. A. Sci.， 2016， 113（27）， 7408—7413
65	Cloud J. E.， Wang Y.， Li X.， Yoder T. S.， Yang Y.， Yang Y.， Inorg. Chem.， 2014， 53（20）， 11289—11297
66	Cloud J. E.， Wang Y.， Yoder T. S.， Taylor L. W.， Yang Y.， Angew. Chem. In. Ed.， 2014， 53（52）， 14527—14532
67	Li X.， Kersey⁃Bronec F. E.， Ke J.， Cloud J. E.， Wang Y.， Ngo C.， Pylypenko S.， Yang Y.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2017， 9（19）， 16071—16080
68	Domi Y.， Usui H.， Iwanari D.， Sakaguchi H.， J. Electrochem. Soc.， 2017， 164（7）， A1651—A1654
69	Chang S.， Moon J.， Cho K.， Cho M.， Comp. Mater. Sci.， 2015， 98， 99—104
70	Hou C.， Song X.， Yang K.， Wang H.， Liu X.， Nie Z.， Mater. Today Energy， 2018， 7， 122—128
71	Fan X.， Shao J.， Xiao X.， Wang X.， Li S.， Ge H.， Chen L.， Nano Energy， 2014， 9， 196—203
72	Hou C.， Yang K.， Tang F.， Wang H.， Liu X.， Song X.， Pro. Nat. Sci. Mater.， 2019， 29（3）， 310—315
73	Zhao J.， Zhou G.， Yan K.， Xie J.， Li Y.， Liao L.， Jin Y.， Liu K.， Hsu P. C.， Wang J.， Cheng H. M.， Cui Y.， Nat. Nanotechnol.， 2017， 12（10）， 993—999
74	Wang C.， Han Y.， Li S.， Chen T.， Yu J.， Lu Z.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2018， 10（15）， 12750—12758
75	Wang C.， Yu J.， Li S.， Lu Z.， Chem. Eng. J.， 2019， 370， 1019—1026
76	Li S.， Wang C.， Yu J.， Han Y.， Lu Z.， Energy Storage Mater.， 2019， 20， 7—13
77	Scott M.， Whitehead A.， Owen J.， J. Electrochem. Soc.， 1998， 145（5）， 1506—1510
78	Tabuchi T.， Yasuda H.， Yamachi M.， J. Power Sources， 2005， 146（1/2）， 507—509
79	Shen Y.， Zhang J.， Pu Y.， Wang H.， Wang B.， Qian J.， Cao Y.， Zhong F.， Ai X.， Yang H.， ACS Energy Lett.， 2019， 4（7）， 1717—1724
80	Wang G.， Li F.， Liu D.， Zheng D.， Luo Y.， Qu D.， Ding T.， Qu D.， ACS Appl. Mater. Inter.， 2019， 11（9）， 8699—8703
81	Alaboina P. K.， Cho J. S.， Uddin M. J.， Cho S. J.， Electrochim. Acta， 2017， 258， 623—630

[1]	李辉阳, 朱思颖, 李莎, 张桥保, 赵金保, 张力. 锂离子电池硅氧化物负极首次库伦效率的影响因素与提升策略[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2342.
[2]	刘铁峰, 张奔, 盛欧微, 佴建威, 王垚, 刘育京, 陶新永. 硅负极黏结剂的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1446.