同济大学王超AFM: 突破锂电瓶颈！丙二酸酮锂盐补锂新策略

文章总结

研究背景与问题提出：随着对高能量密度、长循环寿命锂离子电池需求的增加，首次循环中阳极因固体电解质界面（SEI）形成导致的活性锂损失成为关键问题。现有预锂化方法使用的强还原性锂源稳定性差，而阴极补锂剂虽稳定，但存在表面残碱、对水分敏感和副反应等问题。有机锂补锂剂虽有优势，但常见的草酸锂分解电压高，方酸锂氧化后易留碳残渣，因此开发新的有机锂盐结构至关重要。

实验设计与方法

合成丙二酸酮锂盐：以丙二酸酮钠盐为起始原料，经离子交换、与碳酸锂反应、喷雾干燥和热分解等步骤合成 DLMT；通过 Li₂C₃O₆H₂与丁基锂反应制备 TLMT，并将其与单壁碳纳米管（SWCNT）复合以提高导电性。

材料表征：运用热重分析（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）等技术，对材料的结构、形貌和成分进行表征；利用密度泛函理论（DFT）计算研究材料的氧化动力学和热力学稳定性。

电化学性能测试：组装 2025 型扣式电池，在 Neware 电池测试系统上评估半电池和全电池性能；使用原位差分电化学质谱（DEMS）分析材料氧化过程中的气体生成；采用电化学阻抗谱（EIS）、电子和离子电导率测试等手段研究电池的电化学特性。

实验结果与分析

材料特性：成功制备出 DLMT 和 TLMT，其颗粒呈规则球形，平均粒径约 1μm，与 SWCNT 复合后导电性显著提升。DFT 计算显示，DLMT 的 O - Li 键能低于草酸锂，更易氧化，TLMT 则具有较高的热力学稳定性。

电化学性能：优化 CNT 含量后，DLMT@CNT 半电池在不同 C 倍率下表现出较低的氧化电位和较高的充电容量，且完全分解无残留。在 LFP||Gr 全电池中添加 4.8 wt.% DLMT@CNT，充放电容量增加，循环稳定性和倍率性能提高。与不规则大颗粒的 DLMT - RC 相比，DLMT@CNT 在长期循环中能更好地保持电极结构完整性，容量衰减更慢，库仑效率更高。在 LMFP 阴极中，DLMT 同样表现良好，LMFP + 4.8% DLMT@CNT||Gr 全电池初始放电容量增加，能量密度提高。

TLMT 性能：TLMT 理论比容量高达 670 mAh g⁻¹，具有良好的空气稳定性，完全分解无残留。在 LFP||Gr 全电池中添加 2 wt.% TLMT，可逆容量和循环性能提升；在 LFP||Si/Gr 全电池中也展现出补锂效果。

研究结论与展望：DLMT 和 TLMT 作为新型有机锂补锂剂，通过喷雾干燥形成均匀球形结构，与 CNT 复合增强了电化学活性。它们能完全分解补偿首次循环的锂损失，有效提高锂离子电池的能量密度和循环寿命，在高能量密度锂离子电池应用中具有巨大潜力。

图文简介

DLMT 和 TLMT 的制备及材料表征

DLMT@CNT 的电化学性能

DLMT@CNT 在 LiMn₀.₆Fe₀.₄PO₄（LMFP）阴极中的电化学性能及能量密度对比

TLMT 的电化学性能

论文信息

通讯作者：Chao Wang