什么是預鋰化呢？對全電池而言，化成時負極界面形成的SEI膜會消耗掉從正極脫嵌的鋰離子，并降低電池的容量。如果我們可以從正極材料外再尋找到一個鋰源，讓SEI膜的形成消耗外界鋰源的鋰離子，這樣就可以保證正極脫嵌的鋰離子不會浪費于化成過程，最終就可以提高全電池容量。這個提供外界鋰源的過程，就是預鋰化。
預鋰化的核心是：尋找外界鋰源，讓全電池化成消耗外界鋰源提供的鋰離子、而非消耗正極脫嵌的鋰離子，從而最大程度的保留正極脫嵌的鋰離子，并提高全電池容量。
下面介紹幾種預鋰化方式，讓大家更好的對這一技術進行了解。
——負極提前化成法
全電池化成時會消耗掉從正極脫嵌的鋰離子，如果我們可以讓負極單獨化成，待負極形成SEI膜后再與正極裝配，這樣就可以避免化成對正極鋰離子的損耗，并大幅提升全電池的首次效率及容量。毫無疑問，這里的關鍵步驟是負極單獨化成，下面給出了這一步驟的示意圖：
在上圖中，負極片與鋰片被浸泡在電解液中，并有外電路連接充電。這樣就可以保證化成時消耗的鋰離子來源于金屬鋰片而非正極。待負極片化成完畢后，再與正極片裝配，電芯已不需要再進行化成，從而不會由于負極形成SEI膜而損失正極的鋰離子，容量也就會明顯提高。
這種預鋰化方法的優點是可以最大限度的模擬正常化成流程，同時保證SEI膜的形成效果與全電池相近。但是負極片的提前化成和正負極片的裝配這兩個工序，操作難度過大。
——負極噴涂鋰粉法
由于使用負極片單獨化成補鋰難以操作，因此人們想到了直接在負極極片上噴涂鋰粉的補鋰方法。
首先要制作出一種穩定的金屬鋰粉末顆粒，顆粒的內層為金屬鋰，外層為具有良好鋰離子導通率和電子導通率的保護層。預鋰化過程中，先將鋰粉分散在有機溶劑中，然后將分散體噴涂在負極片上，接著將負極片上的殘留有機溶劑干燥，這樣就得到了完成預鋰化的負極片。后續的裝配工作與正常流程一致。
化成時，噴涂在負極上的鋰粉會消耗于SEI膜的形成，從而最大限度的保留從正極脫嵌的鋰離子，提高全電池的容量。
下圖為負極硅合金、正極鈷酸鋰全電池的效率對比圖，可以看出在負極進行了預鋰化之后，首次效率有了明顯的提升：
采用這種預鋰化方法的缺點是安全性較難保證，材料及設備改造成本較高。
——負極三層電極法
由于設備及工藝的局限性，單純的為了預鋰化而進行高成本的改造并非電池廠的優先選擇，如果可以用電池廠熟悉的方式完成預鋰化，那推廣性就大幅增強了。下面所說的三層電極法，對電池廠的操作就更為簡單。三層電極法的核心在于銅箔的處理，銅箔示意圖如下：
與正常銅箔相比，三層電極法的銅箔被涂上了后期化成所需要的金屬鋰粉，為了保護鋰粉不與空氣反應，又涂上了一層保護層；負極則直接涂在保護層上。裝配后單層電極的整體示意圖如下：
當電芯完成注液后，保護層會溶解于電解液中，從而讓金屬鋰與負極接觸，化成時形成SEI膜所消耗的鋰離子由金屬鋰粉補充。充電后的電極圖示如下：
這種方法對電池廠加工條件沒有苛刻要求，但是保護層在極片收放卷、輥壓、裁切等工位的穩定性是對電極材料研發的很大挑戰，金屬鋰粉化成消失后負極材料粘結性的保證也頗有難度。
——正極富鋰材料法
在企業里工作的小伙伴們一定都曾深切的體會過：即便實驗室條件下能夠成功的東西，挪到企業的規模化生產后也很可能困難重重。設備的改造成本、材料的批量投入成本、加工環境的控制成本等都可能成為新技術無法推廣的致命傷。對于鋰電這一工藝、設備已經基本成熟的行業而言，企業優先選擇的預鋰化方案，一定會是一個不用做太多現場改動、甚至拿過來就能直接推廣的方法。而正極富鋰材料法，恰好滿足了電池廠這一方面的需求。
當負極首效低于正極時，化成時就會有太多的鋰離子損耗于負極，造成放電后正極有效空間無法被鋰離子欠滿，形成正極嵌鋰空間的浪費。如果在正極中加入少量的高克容量富鋰化材料，這樣既可以為化成時SEI膜的形成提供更多的鋰離子，也不用擔心放電時富鋰化材料無法再次嵌鋰（因為化成時已經將富鋰材料提供的鋰離子全部消耗），豈不是兩全其美嗎？
目前一種典型的富鋰化材料為Li5FeO4，其克容量高達700mAh/g，化成時每個分子可以釋放出四個Li+，方程式如下：
Li5FeO4→4Li++4e-+LiFeO2+O2
由于在反應中生成的O2會隨著除氣被排出電池，因此對于鋰離子電池而言、上述反應并不像正極脫鋰一樣是可逆的。但由于富鋰材料的高克容量，將其少比例的加入正極中就可以補充夠負極化成所需的額外鋰離子，因此只要保證產物LiFeO2在電解液中的穩定，就可以起到提高全電池容量的作用。
該方案在具體實施中，若是探索到了將Li5FeO4與正極活性物質一同配料和涂布的工藝，那就可以讓電池廠在幾乎不進行任何設備改造的情況下完成預鋰化，這一看似傻瓜式的操作，卻往往是企業最為喜愛的。
預鋰化的各種方法，小編就向大家介紹到這里了。需要注意的是，上面所述的各種預鋰化方法，針對的都是負極首效低于正極的全電池，全電池預鋰化后，首次效率最高也只能達到正極材料半電池的水平。而對于正極首效更低的電池而言，上面的方法則基本無能為力，原因是此時全電池的首效受限于正極充電后不再有足夠的嵌鋰空間，即使外界補鋰，也無法嵌入正極，因而沒有作用。
文章來源：知行鋰電
