近日，iChEM研究人員、復(fù)旦大學(xué)王永剛教授及其研究小組采用一種簡單的預(yù)鋰化方法，構(gòu)筑了Li2V2(PO4)3//LixC鋰離子電池體系，其表現(xiàn)出高功率、長壽命和良好的低溫性能。相關(guān)的研究成果以“ASimplePre-lithiationStrategytoBuildHigh-RateandLong-lifeLithium-ionBatterywithImprovedLow-temperaturePerformance”為題于2017年11月14日在線發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》(AngewandteChemieInternationalEdition,2017,DOI：10.1002/anie.201710555)。

近年來，以鋰離子電池為動力的電動汽車正在迅速發(fā)展。然而，眾所周知，鋰離子電池的性能隨著溫度的降低而迅速下降。這將大大限制電動汽車在冬季或一些高寒地區(qū)的應(yīng)用。前期的研究表明，除了電解液在低溫下的低離子電導(dǎo)，基于石墨負(fù)極的常規(guī)鋰離子電池的低溫性能還被低溫下鋰離子進(jìn)出石墨過程的脫溶劑/溶劑化所限制。針對這一問題，該課題組采用預(yù)鋰化的硬碳負(fù)極取代傳統(tǒng)的石墨負(fù)極，并和磷酸釩鋰(Li2V2(PO4)3)正極結(jié)合構(gòu)成了一個新的電池體系。

圖1Li2V2(PO4)3//LixC鋰離子電池的電化學(xué)性能

近年來，預(yù)鋰化硬碳(Prelithiatedhardcarbon)已經(jīng)應(yīng)用于混合型鋰離子電容器，并表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。然而，預(yù)鋰化工藝復(fù)雜、成本高，其涉及到純鋰電極的使用，存在安全隱患。在這一研究中，研究人員巧妙地利用了Li3V2(PO4)3正極材料的多步脫鋰過程,實(shí)現(xiàn)了硬碳的預(yù)鋰化。在首次充電過程中，鋰離子從正極脫出形成Li2V2(PO4)3，同時脫出的鋰離子會嵌入到硬碳負(fù)極，并形成了預(yù)鋰化的硬碳負(fù)極(LixC)。隨后，Li2V2(PO4)3與LixC構(gòu)成了一個鋰離子電池體系。當(dāng)在3.5之4.3V充放時候(圖1)，該電池表現(xiàn)出類似超級電容器的高功率和長壽命。此外，雖然使用了常規(guī)的電解液LB303，該電池表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫性能。在零下40攝氏度時，其的容量能夠保持常溫容量的67%，遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的鋰離子電池。這主要得益于納米碳包覆Li2V2(PO4)3正極材料自身良好的低溫性能和預(yù)鋰化硬碳負(fù)極在低溫下的相對快速的動力學(xué)過程。然而值得注意的是，該電池體系中只利用了Li3V2(PO4)3的部分容量，能量密度有限，比較適合用作起停電池。此外，隨著溫度降低，電解液的離子電導(dǎo)迅速下降，增加了電池內(nèi)阻，因此，該電池在低溫下表現(xiàn)出明顯的極化。在后續(xù)研究中，還需要進(jìn)一步開發(fā)高性能低溫電解液，用于提升這種電池在低溫下的電化學(xué)性能。

圖2Li2V2(PO4)3//LixC鋰離子電池的低溫性能

該工作由復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系二年級博士生劉瑤、二年級碩士生陽秉昌共同完成。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金委（21622303)等相關(guān)項(xiàng)目的資助。