​周豪慎等今日Nature Energy：无负极锂电寿命再突破，软包300圈！

第一作者：乔羽

通讯作者：周豪慎

通讯单位：日本产业技术综合研究院 (AIST) 南京大学

【研究亮点】

1. 通过在LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ (NCM-811) 正极材料表面引入Li₂O作为预载牺牲材料，提供额外的锂源以补偿初始无负极电池长期循环过程中锂的不可逆损失。

2. 实现了长寿命2.46 Ah初始无负极软包电池，重量能量密度为320 Wh kg^–1，在300次循环后仍保持80%的容量。

【主要内容】

由于采用了锂金属作为负极材料，锂金属电池被认为是未来最有前途和最可行的高能量密度可充电电池技术。然而，它的能量密度和安全性较差，因此需要改进电池设计。无负极全电池结构由完全锂化的正极和负极铜集流体构成。在这种无负极锂电池中，重量和体积能量密度都可以扩展到最大极限。当前无负极锂电池结构面临的主要问题是锂金属沉积或剥离过程的可逆性及稳定性。

鉴于此，周豪慎教授团队在NCM-811正极材料表面引入Li₂O作为预载牺牲材料。在这种电池体系中，Li₂O 在经过电化学氧化过程后提供了额外的锂源，以抵消循环过程中不可避免的锂损失，从而显著提高循环稳定性。此外，Li₂O 的分解会释放O²⁻，O²⁻ 进一步与电解质中的氟化醚反应，从而在NCM正极材料上形成基于LiF的致密SEI层。基于这种设计的无负极纽扣电池已被证明在300次可逆循环中容量保持率超过90%。同时还实现了高能量密度初始无负极软包电池，容量为 2.46 Ah，电池级能量密度超过 320 Wh kg _pouch^–1，300次循环后容量保持率为80%。

与传统的正极涂层和负极改性策略相比，牺牲双功能的Li₂O 层既补充了负极锂储库并同步促进了正极保护层的形成，从而显著提高了无负极锂电池的循环寿命。在软包电池级别实现的高能量密度和长循环性能为设计更实用的无负极锂电池结构开辟了新的道路。

Fig. 1 | Cathode and electrolyte design strategies for the anode-free Li cell system.

Fig. 2 | Evaluation of Li-metal plating/stripping reversibility and initial-anode-free full-cell cycling performance in a coin cell.

Fig. 3 | Characterization of the NCM@Li₂O cathode in the initial precharging process.

Fig. 4 | Proposed mechanism for the construction of the LiF cathode surface protective layer by the synergy between the HFE additive and oxidized Li₂O.

Fig. 5 | Performance of 320 Wh kg^–1 initial-anode-free Li pouch cells.

【文献信息】

Qiao, Y., Yang, H., Chang, Z. et al. A high-energy-density and long-life initial-anode-free lithium battery enabled by a Li2O sacrificial agent. Nat Energy (2021). https://doi.org/10.1038/s41560-021-00839-0

https://www.nature.com/articles/s41560-021-00839-0