隨著鋰離子電池能量密度的不斷提升，石墨材料（理論比容量僅為372mAh/g）已經(jīng)無法滿足高比能電池的設(shè)計(jì)需求，人們迫切的需求一種高容量的負(fù)極材料來替代現(xiàn)有的石墨負(fù)極材料。Si材料的理論容量可達(dá)4200mAh/g（Li4.4Si），是一種非常理想的負(fù)極材料，然而Si材料在嵌鋰過程中體積膨脹可達(dá)300%以上，導(dǎo)致顆粒粉化和負(fù)極結(jié)構(gòu)的破壞，因此人們嘗試采用體積膨脹相對較小的SiOx材料作為負(fù)極材料，在首次嵌鋰的過程中Li會與材料中的O結(jié)合生成LiOx，這些鋰氧化合物一方面能夠吸收嵌鋰過程中材料發(fā)生的體積膨脹，提升SiOx材料的循環(huán)性能，另一方面卻會造成活性Li的損失，引起首次充放電庫倫效率降低。

補(bǔ)鋰是解決SiOx導(dǎo)致的首次效率降低的有效方法，補(bǔ)鋰的技術(shù)路線重要有正極補(bǔ)鋰和負(fù)極補(bǔ)鋰兩種，其中負(fù)極鋰粉和鋰箔補(bǔ)鋰是目前補(bǔ)鋰的重要方向，然而金屬Li的化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡瑢Νh(huán)境要求極高，同時還伴隨著不小的安全性風(fēng)險，因此近年來正極補(bǔ)鋰也得到了廣泛的關(guān)注，正極補(bǔ)鋰重要是通過在正極添加高容量的含Li氧化物（這些氧化物一般具有首次充電容量高，但是可逆容量低的特點(diǎn)），補(bǔ)充首次充放電過程中的不可逆容量損失。在眾多的正極補(bǔ)鋰材料中，由阿貢國家實(shí)驗(yàn)室合成的Li5FeO4材料憑借著867mAh/g的理論比容量，吸引了廣泛的關(guān)注，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室在2016年首次報道了Li5FeO4材料，當(dāng)時通過在LCO/硬碳體系中添加Li5FeO4材料，首次效率提升了10%左右，并且顯著改善了電池的循環(huán)性能。近日，該課題組的LinghongZhang（第一作者）和WenquanLu（通訊作者）將Li5FeO4材料材料應(yīng)用到SiOx/NCM523體系中，顯著提升了電池的首次庫倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性。

為了確定合適的添加量，LinghongZhang首先分別制備了SiOx，NCM523，LFO和NCM523-LFO混合電極的半電池并進(jìn)行了充放電測試（如上圖所示），從上圖a可以看到SiOx材料的首次嵌鋰容量可達(dá)2183mAh/g，脫鋰容量僅為1500mAh/g，首次庫倫效率68.7%。NCM523材料首次脫鋰容量為190mAh/g，嵌鋰容量為166mAh/g，首次庫倫效率為87%，可見假如不進(jìn)行補(bǔ)鋰必然會導(dǎo)致正極大量的可逆容量損失。從上圖c中能夠看到當(dāng)充電到4.5V時，LFO材料的脫鋰容量高達(dá)665mAh/g，在放電過程中LFO在2.7V以上時沒有容量，因此LFO非常適合作為正極補(bǔ)鋰材料使用。上圖d為NCM523：LFO=10:1的混合正極的首次充放電曲線，可以看到混合正極的首次充電容量達(dá)到211mAh/g，首次放電容量達(dá)到143mAh/g（由于LFO放電過程中并不供應(yīng)容量），首次庫倫效率為67.8%，與負(fù)極材料首次效率比較匹配（幾種材料的首次效率和充放電容量如下表所示）。

下圖比較了純NCM523和NCM523-LFO電極與SiOx電極匹配制成全電池時的正負(fù)極容量匹配情況，從下圖a可以看到采用純NCM523材料時由于正極材料的首次效率與負(fù)極材料不匹配，導(dǎo)致相當(dāng)一部分從正極脫出的Li消耗在了負(fù)極，引起克容量的降低。而我們在下面的材料中添加一部分LFO材料后，正負(fù)極材料的首次效率相匹配，不會消耗正極的可逆容量。

LFO材料提升SiOx全電池首次效率的效果可以從全電池中看出，從下圖a中可以看到，NCM523/SiOx電池在首次放電中正極材料的可逆容量發(fā)揮僅為126.8mAh/g，而NCM523-LFO/SiOx電池在首次放電中正極的容量發(fā)揮提升到了140.8mAh/g（基于NCM/LFO的混合重量），LFO的應(yīng)用使得SiOx電池的可逆容量提升11%。下圖b為NCM523/SiO和NCM523-LFO/SiOx電池的循環(huán)性能曲線，可以看到循環(huán)50次后，沒有添加LFO的電池容量保持率僅為90.94%，而添加LFO后的電池容量保持率則提升到了98.93%。

LFO材料作為正極補(bǔ)鋰添加劑應(yīng)用的一個擔(dān)憂是其中的Fe元素會發(fā)生溶解，并沉積在負(fù)極的表面，因此作者分別對循環(huán)后的正負(fù)極分別進(jìn)行了EDS測試，可以看到經(jīng)過循環(huán)以后負(fù)極表面并沒有Fe元素的沉積，表明LFO中的Fe元素不會隨著循環(huán)發(fā)生溶解。

LFO材料理論容量高達(dá)867mAh/g，實(shí)際容量發(fā)揮也可以達(dá)到600mAh/g以上，并且在2.7V以上時幾乎沒有可逆容量，也就是說其脫出的Li幾乎全部都不會重新嵌入到LFO中，這使得LFO材料非常適合作為正極補(bǔ)鋰材料使用，通過在正極添加一定量的LFO能夠顯著的提升電池的可逆容量，提升鋰離子電池能量密度，同時由于LFO使用相對便捷、安全性高因此具有廣闊的應(yīng)用前景。