锂离子电池在循环过程中，由于存在界面反应和其它不可逆反应，不可避免地会发生活性锂损失，导致电池容量降低，循环寿命缩短。当使用具有更高能量密度的电极材料，如硅(Si)和锂金属时，这种现象会变得更加严重。因此，需要发展预锂化技术，在电池外部提前锂化活性材料，弥补循环过程中的锂损失。根据补充锂源的类型和反应机理不同，可以将预锂化方法分为添加剂补锂、电化学补锂、化学补锂和接触补锂。然而，随着材料内部活性锂浓度的提高，预锂化材料/电极的反应活性增强，容易与空气和电解质发生副反应，导致活性材料变质，电化学性能恶化。因此，提高预锂化材料/电极的化学和电化学稳定性对于预锂化技术和锂离子电池的发展和应用具有十分重要的意义。
近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心王雪锋特聘研究员和王兆翔研究员（共同通讯作者）等人通过冷冻电镜技术深入地研究了锂电池内复杂的界面反应和界面相结构（Nat. Commun. 2023, 14 (1), 4474.，Energy Environ. Sci. 2022, 15 (10), 4349-4361.等）。在此基础上，提出采用功能性溶液处理化学预锂化电极片，利用上述两者自发的化学反应形成人工界面保护层，其中通过改变功能性溶液的组分可以调控所制备的界面相结构和成分。利用冷冻高分辨透射电子显微镜（cryo-HRTEM）、电子能量损失谱（EELS）和X射线光电子能谱（XPS）等多种分析方法表征了人工界面结构：无机纳米晶粒如LiF和Li2CO3较致密地镶嵌在无定形的有机成分中。这种界面层不仅提高了预锂化电极对空气的耐受性，而且增强了界面离子传输，改善了石墨负极的快充性能。这些发现不仅为构建人工界面膜提供了一种简便、通用和可控的方法，而且可以启发一些先进电解液的使用和实际电池制造工艺的升级。
相关成果以“Interphase Engineering Enhanced Electro-chemical Stability of Prelithiated Anode”为题发表在Small上。上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委和北京市自然科学基金的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1002/smll.202305639
图1 溶液处理法原位生成人工界面层的技术路线及对预锂化效果的影响。a）化学预锂化和人工界面层制备工艺路线图，b）预锂化和人工界面层制备过程中电极界面变化，经过不同功能性溶液处理后石墨电极的c）XRD图谱，d）测得的其中锂含量，和e）组装的纽扣电池开路电压。
图2 含不同人工界面层的预锂化石墨电极的电化学性能。a）首周容量-电压曲线，b）首周放电比容量（IDSC），首周充电比容量（ICSC）及补偿锂容量（CLC），c）首周库仑效率（ICE），d）0.2C时的循环性能，e）倍率性能，f）在不同电流密度下的库伦效率，范围从0.2-3C；g）循环一周后阻抗谱图，h）在1C条件下的长循环性能。
图3 人工界面层的结构和成分。a）采用功能性溶液处理的预锂化石墨电极上的人工界面层示意图。人工界面层的b）C 1s和c）F 1s的XPS光谱；PGr-FF的d）S 2p和e）N 1s的XPS谱；PGr-PDE的f）P 2p的XPS谱，g）基于XPS谱所得Li、C、O和F的相对元素含量。
图4 PGr-FF上人造界面层的微观结构。a）HRTEM图像、b）Li-K边、c）C-K边和d）F-K边的EELS谱，e）STEM图像以及f）Li、g）O、h）F和i）和它们重叠图像的元素分布。
图5 含有人工界面层的预锂化极片对空气稳定性和全电池性能。a）PGr-FEC、PGr-FF和EGr-0.14 V在空气暴露10分钟前后XRD图谱。b）容量-电压曲线和 c）使用暴露空气后的PGr-FEC、PGr-FF和EGr-0.14 V半电池的循环性能。d）以LiFePO4为正极组装的全电池的循环性能。e）采用相同方法在纳米Si负极表面构建人工界面层后的循环性能。