大气环境下稳定的锂化负极以提高锂离子电池的能量密度

锂离子电池能量密度高，在便携式电子产品、电动汽车和电网储能等领域有着广泛的应用。由于在放电状态下，锂离子电池的电极材料在大气环境下是稳定的，最新技术制作的锂离子电池产品都处于放电态。然而，在第一次充电时，大量的活性锂离子会消耗在第一次放电形成的固态电解质相界面膜 (SEI)中，而这种锂源的消耗是不可逆的，可造成初始库伦效率和总能量密度的降低。为此，开发补锂的方法是很多研究的中心议题与出发点。然而，许多富锂负极在湿度超过一定值的大气环境下是不稳定的，形成电池使用中的安全隐患。

鉴此，美国斯坦福大学的Lin等人发展了一种用以提高锂离子电池的能量密度，在大气环境下稳定的锂化负极技术。在该文所设计的锂离子电池如图1所示。该设计的关键在于负极中PMMA在初始状态下确保锂不会与空气中的水分发生反应，当PMMA被电池电解质溶解后，石墨与锂接触以补偿由于电解质的还原而引起的初始损耗。该方法将现有石墨电极的损耗从8%降低到0.3%，将硅电极的损耗从13%降低到-15%( 负数表示由于添加了新的锂材料，导致电池的容量教初始状态还有了增加)。过量的锂可以补偿随后循环中的容量损失，因此可以进一步增强电池的循环寿命。这种方法在增加锂离子电池寿命方面有巨大潜力，有望应用于便携式电子产品和电动汽车。该项研究成果发表在Nano Lett.（2016,16）上。

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图1：大气环境下稳定工作的锂离子电池制备工艺示意图:（a）金属锂沉积到铜箔表面；（b）在锂表面涂布一层聚合物使其在大气环境下稳定；（c）溶解于乙醇或水等溶剂的负极材料涂覆于聚合物上；（d）随着有机电解质的注入，聚合物溶解正极和负极组装成电池；（e）由于电池内压力的作用负极材料在与锂金属接触时发生化学反应。

图2：石墨烯-PMMA-锂电极结构的扫描电子显微镜((a)-(d))与光学(e）照片。