在这项工作中，作者通过外部锂供应策略来重塑锂离子电池的锂缺乏问题和寿命限制。开发了一种有机锂盐（LiSO2CF3），并将其添加到组装好的电池中，通过充电过程中的负极氧化反应释放锂离子，从而延长电池的寿命并提高其能量密度。实验结果表明，在无负极电池中展示了3.0V初始放电电压、1192 Wh kg^-1的能量密度；同时，匹配基于有机硫化聚丙烯腈正极的无负极电池展现出了388 Wh kg^-1的能量密度，在循环440次后展现出80.1%的容量保持率。这种方法不仅提高了电池的性能和可持续性，还显著延长了商业电池的寿命，揭示了重新构想电池内部外部锂供应核心原则的潜力，预示着一种变革性的方法，用于重新构思、制造和使用各种应用中的锂离子电池。相关成果以“ External Li supply reshapes Li deficiency and lifetime limit of batteries ”为题发表在国际期刊 Nature 上。论文第一作者为Chen Shu，通讯作者为复旦大学高悦研究员、彭慧胜院士。

图2. 结合机器学习和有机电化学发掘新型补锂剂。

(a)指导有机锂盐从头设计的工作流程。(b)LiSO₂CF₃在常规碳酸盐电解质中的循环伏安法。通过在电解质中溶解LiSO₂CF₃将其加入电池中的电压曲线。（c）记录了3.8V的充电电压平台，比容量接近理论值191.5mAh g^-1。在高温和高电流条件下（d），获得了3.9V的平台和一致的189.9mAh g^-1的比容量。

图3. 在电池水平上的无残留和无损的锂供应过程。

(a)在充电过程中LiSO₂CF₃的DEMS（差分电化学质谱）曲线。在充电时检测到了SO₂和C₂F₆/CHF₃气体，充电过程完成后信号消失。(b)在碳酸酯电解液中加入原位拉曼光谱。随着电池充电，对应于C-S=O和-CF₃的峰逐渐消失不见。(c)在锂供应前后含有LiSO₂CF₃的电解液的¹⁹F核磁共振谱。充电后，在电极、电解液和界面中没有发现残留物，这表明锂供应过程没有残留。(d)在锂供应前后循环使用的磷酸铁锂正极上的CEI层的XPS元素分析。循环使用的磷酸铁锂正极表面在锂供应前（e）和之后（f）的透射电子显微镜（TEM）图像。g至j，使用LiSO₂CF₃和Li₂C₄O₄进行锂供应的磷酸铁锂正极的扫描电子显微镜（SEM）图像。在使用LiSO₂CF₃进行锂供应前后（g和h），没有看到结构损伤。这与传统的在磷酸铁锂正极中混合Li₂C₄O₄颗粒的预锂化方法形成对比（i），后者在充电后会导致孔隙形成和不完全分解问题（j）。k和l，使用LiSO₂CF₃（k）和Li₂C₂O₄（l）进行锂供应后的电池照片。使用LiSO₂CF₃的电池在最初脱气后没有进一步的气体形成，表明其完全分解并排出气体。总的来说，使用LiSO₂CF₃时，CEI组成、表面结构和电极完整性都得到了很好的保持，表明这是一个无残留且无损的锂供应过程。

图4.缺锂电池的循环性能和能量密度。

(a)对于缺锂电池通过LiSO₂CF₃提供活性锂离子。b、c，无负极电池在外部锂供应下的电压曲线（b）和循环性能（c）。d、e，加入了有机硫化的聚丙烯腈正极的388 Wh kg^-1无负极软包电池的循环性能（d）和电压曲线（e）。(f)描绘外部锂供应过程的照片。(g)电池形成过程中涉及的电压曲线。

图5. 石墨|磷酸铁锂电池的补锂和在电网储能领域的应用。

商业石墨|磷酸铁锂软包电池在多次锂供应下的循环性能（a）和电压曲线（b）。（c）带有电解液注入系统的改进型圆柱形电池，展示了如何在不更换单个电池的情况下恢复大型电池组。（d）锂供应后电池的计算机断层扫描图像。（e）基于外部锂供应技术的电网储能设想。（f）为新兴的纤维电池技术提供便捷的外部锂供应。LiSO₂CF₃可以通过填充电解液轻松注入。

综上，该策略解决锂离子电池中锂缺乏和容量衰减的变革性方法。通过添加LiSO₂CF₃成功延长了电池寿命，实现了锂缺乏正极材料的使用，并为储能应用提供了可持续且经济高效的解决方案。这些发现对便携式电子产品和大型电网存储都具有深远的影响，可能会重塑电池技术的未来。未来的研究可能侧重于优化LiSO₂CF₃的溶解度和可扩展性，以及探索其在其他金属离子电池系统（如钠、钾、锌和镁基化学）中的适用性。这一策略在发现电池电极材料、添加剂和自由基中间体方面已被证明是有效的，拓宽了电化学的视野。

文章来源：高低温特种电池

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