近日，iChEM研究人員、復旦大學王永剛教授及其研究小組采用一種簡單的預鋰化方法，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《德國應用化學》(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)的應用。前期的研究表明，除了電解液在低溫下的低離子電導，基于石墨負極的常規(guī)鋰離子電池的低溫性能還被低溫下鋰離子進出石墨過程的脫溶劑/溶劑化所限制。針對這一問題，該課題組采用預鋰化的硬碳負極取代傳統(tǒng)的石墨負極，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性能

近年來，預鋰化硬碳(Prelithiatedhardcarbon)已經(jīng)應用于混合型鋰離子電容器，并表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。然而，預鋰化工藝復雜、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,實現(xiàn)了硬碳的預鋰化。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極，并形成了預鋰化的硬碳負極(LixC)。隨后，Li2V2(PO4)3與LixC構(gòu)成了一個鋰離子電池體系。當在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鋰化硬碳負極在低溫下的相對快速的動力學過程。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性能。

圖2Li2V2(PO4)3//LixC鋰離子電池的低溫性能

該工作由復旦大學化學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基金委（21622303)等相關(guān)項目的資助。