預(yù)鋰化作為補(bǔ)償初始循環(huán)中鋰庫(kù)存損失的一種簡(jiǎn)單有效的方法，在負(fù)極和正極方面都取得了很大的進(jìn)展。然而，關(guān)于預(yù)鋰化對(duì)硅基負(fù)極長(zhǎng)期循環(huán)的界面穩(wěn)定的影響的研究卻很少。

圖1 電化學(xué)性能對(duì)比

加州大學(xué)圣地亞哥分校孟穎等系統(tǒng)地研究了兩種有代表性的硅基負(fù)極材料–微硅（μSi）和氧化硅（SiO_x）中的SEI成分、結(jié)構(gòu)和預(yù)鋰化過程的特性，以揭示預(yù)鋰化對(duì)采用磷酸鐵鋰（LFP）正極材料的全電池循環(huán)穩(wěn)定性的影響。由于其成本效益，這項(xiàng)研究選擇了微米級(jí)的Si和SiO_x。

在該研究中，短路電化學(xué)方法以高壓（≈5.5千帕）應(yīng)用于鋰金屬箔和Si基負(fù)極，以使其充分接觸。在電化學(xué)分析和X射線衍射（XRD）表征了預(yù)鋰化材料后，作者在低溫下應(yīng)用原位透射電子顯微鏡（TEM）來識(shí)別結(jié)晶SEI成分及其空間分布。

此外，XPS深度剖析被用來半定量地分析結(jié)晶和非結(jié)晶相的SEI組成。然后，作者比較了從預(yù)鋰化和電化學(xué)過程中獲得的SEI成分和結(jié)構(gòu)，以研究SEI的物理特性及其對(duì)循環(huán)過程中界面穩(wěn)定的影響。

圖2 SEI分析

研究顯示，在預(yù)鋰化 SiO_x和Si負(fù)極上都形成了一個(gè)特征性的鑲嵌界面，這種包含多個(gè)硅酸鋰相的馬賽克界面，與沒有預(yù)鋰化形成的固體電解質(zhì)界面（SEI）有根本的不同。硅酸鋰的理想導(dǎo)電性和機(jī)械性能使兩種預(yù)鋰化負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性得到改善。

此外，由于氧的參與，硅酸鋰的比例更高，預(yù)鋰化的SiO_1.3負(fù)極在全電池中的初始庫(kù)侖效率提高到94%，并在200次循環(huán)后提供良好的循環(huán)保持率（77%）。這項(xiàng)工作所提供的見解可用于進(jìn)一步優(yōu)化未來高能量密度電池中的高硅負(fù)載負(fù)極。

圖3?預(yù)鋰化對(duì)循環(huán)穩(wěn)定性的影響示意圖

Elucidating the Role of Prelithiation in Si-based Anodes for Interface Stabilization. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202301041