复旦大学高悦团队AM：破解无锂电池“缺锂”难题，外部供锂实现长寿命高倍率储能

纳米人

2025-07-04

【文章信息】

外部供锂设计实现无锂电池的长寿命与高倍率储能

第一作者：杜昕蔚

通讯作者：高悦*

单位：复旦大学

研究背景

储能电池在可再生能源的稳定利用中发挥着至关重要的作用，但为了满足日益增长的能源需求，其寿命和倍率性能仍需进一步提升。无锂正极材料在电化学稳定性、倍率性能和成本效益方面展现出显著优势，但当与传统石墨负极配对时，由于体系中缺乏活性锂离子，导致电池无法正常运作。为应对这一挑战，本文探讨了实现无锂电池外部供锂所需的供锂材料条件，并针对外部供锂过程的界面电化学机制，及对电极结构和界面的影响进行研究，为在电网规模储能中应用具有长寿命和快速响应能力的无锂电池提供了可行的解决策略。

文章简介

近日，来自复旦大学的高悦团队在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Long-Lifespan and High-Rate Energy Storage Enabled by Lithium-Free Batteries with External Li Supply”的文章。该研究探讨了无锂正极材料在锂离子电池体系中的应用面临的核心挑战，并通过外部供锂的方式成功实现了无锂电池在长寿命和高倍率应用中的突破。

图1.无锂正极材料构建的锂离子电池体系时面临的锂源缺失问题与LiSO₂CF₃外部供锂补偿机制。

本文要点

要点一：外部供锂分子完全分解且产物无残留

传统补锂剂存在分解电压过高（>4.0 V）、电化学转化不完全以及分解后在电极中残留固体副产物的问题。为解决这些问题，本研究采用三氟甲磺酸锂（LiSO₂CF₃）作为电解液添加剂，应用于石墨|TiS₂软包电池体系中。该添加剂在3.8 V电压下发生稳定的电化学分解，为体系供应锂离子。研究表明，LiSO₂CF₃在分解过程中完全转化为SO₂与CHF₃/C₂F₆等气体，无固体残留物产生。由于气体副产物在化成阶段被排出电池体系，因此解决了传统补锂剂存在的副产物累积问题，有利于电池的长期稳定运行。

图2.LiSO₂CF₃外部供锂分子的完全转化及无残留供锂机制。

要点二：供锂过程对电极结构无损伤

电极结构的完整性对于维持电池的长期稳定循环至关重要。传统的正极补锂添加剂（如Li₂C₄O₄）需要混合在正极材料中使用，但其在分解过程中会在正极结构中生成孔洞和裂纹，从而破坏电极的导电网络。而将负极补锂剂直接加入电池体系时，会导致正极粘结剂失效，影响电极的完整性。为克服这些问题，本研究将LiSO₂CF₃作为电解液添加剂引入电池体系，作为外部供锂分子。通过电子显微镜及超声成像分析，LiSO₂CF₃的供锂过程不会对电极结构造成损伤，能够有效避免电极完整性的破坏。

图3.LiSO₂CF₃外部供锂过程无损性及与其他补锂策略的对比。

要点三：供锂方式与体系兼容性良好

电极界面的组成是决定电池长周期循环稳定性的另一关键因素。本研究利用X射线光电子能谱（XPS）分析了LiSO₂CF₃供锂过程对TiS₂正极电解质界面层（CEI）和石墨负极电解质界面层（SEI）的影响。结果表明，外部供锂过程不会在正极侧引发额外的副反应，供锂过程中释放的锂离子成功嵌入石墨负极中，为电池的循环提供了活性介质。

图4.LiSO₂CF₃外部供锂过程的体系兼容性验证。

要点四：无锂电池的长寿命高倍率循环性能

基于LiSO₂CF₃的外部供锂策略，使石墨|TiS₂软包电池在10C电流密度下实现超过14,000次的循环寿命，满足了电网级储能对快速响应、长寿命及低运行成本的多重需求。本研究不仅为无锂电池的发展提供了可行的技术路径，也为推动绿色、经济、高效的储能体系建设开辟了新方向。

图5. 基于LiSO₂CF₃外部供锂的石墨| TiS₂软包电池电化学性能。

【文章链接】

Long-Lifespan and High-Rate Energy Storage Enabled by Lithium-Free Batteries with External Li Supply

https://doi.org/10.1002/adma.202504553

【通讯作者简介】

高悦，复旦大学教授，国家重点研发计划首席青年科学家，海外优青。2018年在美国宾夕法尼亚州立大学获得博士学位，于2020年12月加入复旦大学高分子科学系。在有机和高分子材料调控电池电化学过程领域开展了系列研究工作，以通讯作者在Nature、JACS、Angew、AM、Joule等期刊上发表了系列研究论文，主持承担多项国家自然科学基金，获评“麻省理工科技评论中国35岁以下科技创新35人”、亚洲青年科学家基金、美国能源部青年学者基金等荣誉。

【课题组介绍】

我们致力于构建一支跨学科研究团队，聚焦人工智能、高分子材料、有机合成及储能电池及工程领域的创新研究。现诚邀具有不同学术背景的优秀学者加入，共同推进储能系统、机器人及智能材料开发等领域的前沿探索。课题组注重培养成员的专业能力与综合素养，为其在学术界和工业界的职业发展提供全面支持。课题组主页：ygaogroup.com。

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