本文报道了由Bo Peng, Hao Shen, Weizhai Bao, Furong Qin, 和 Jin Xiao共同完成的一项原创性研究，发表在Advanced Sustainable Systems期刊（2025年5月8日在线发表）。研究团队分别来自中南大学冶金与环境学院和南京信息工程大学化学与材料科学学院。该研究聚焦锂离子电池（LIBs）领域，针对硅碳（Si/C）负极材料在商业化应用中面临的首次循环不可逆容量损失和固体电解质界面（SEI, Solid Electrolyte Interphase）不稳定性等核心问题，提出了一种基于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）介导的预锂化策略，显著提升了Si/C负极的电化学性能。

学术背景

硅碳复合材料因其高达4200 mAh/g的理论比容量被认为是最有潜力的下一代锂离子电池负极材料。然而，硅在充放电过程中高达300%的体积膨胀会导致SEI膜的反复破裂与重构，持续消耗活性锂，造成首次库仑效率（ICE, Initial Coulombic Efficiency）低下（文献中原始Si/C负极仅77.47%）和循环稳定性差。传统预锂化技术通过压制锂带补偿活性锂损失，但存在锂残留过量引发安全性风险、SEI机械强度不足等问题。
研究团队在前期工作中发现，含磺酸基（-SO₃H）的AMPS可通过其独特的化学结构调控SEI组成。这启发了他们提出AMPS协同预锂化的创新策略，旨在通过以下双重机制优化Si/C负极：（1）消耗残留金属锂；（2）构建高稳定性SEI。该研究为高能量密度LIBs的负极设计提供了新思路。

研究流程与实验方法

1. 材料制备与表征

研究对象：
- Si/C复合负极：通过机械球磨法制备，硅含量为30 wt.%
- AMPS改性隔膜：采用喷雾沉积法将20 wt.% AMPS水溶液均匀负载于Celgard隔膜表面。选择20%浓度因其能平衡表面张力与孔隙率（10%浓度分布不均，30%阻塞隔膜孔道）。

关键实验：
- SEM/EDS分析：通过扫描电镜和能谱仪观察循环后负极表面形貌及元素分布。原始Si/C负极SEI覆盖率低且存在大量裂纹（图2a-b），而AMPS处理组展现完整SEI覆盖和显著的氟元素富集（图2e-f），表明AMPS促进了含LiF的致密SEI形成。
- XPS深度分析：发现AMPS改性负极的Li 1s谱中Li-O键（来自LiₓPOᵧF₂和ROSO₂Li）信号强度超越LiF（图4d-f），证实AMPS重构了SEI的无机/有机相分布，增强了机械弹性。

2. 电化学性能测试

电池体系：
- 采用单层LiCoO₂（LCO）||Si/C/石墨软包电池（规格80×64.2×0.85 mm，0.38 Ah）

测试方法：
- 循环伏安（CV）：AMPS处理组在4.0 V处阳极峰减弱且4.45 V副反应峰消失（图3a），表明其有效抑制了电解质分解。
- 恒流充放电：AMPS协同预锂化将ICE从83.41%（单纯预锂化）提升至91.24%，180次循环后容量保持率达83.8%，远超对照组的72%（图3d）。
- 倍率性能：在2C高倍率下仍能保持81.4 mAh/g容量，归因于AMPS构建的快速Li⁺传导通道（图3e）。

3. 理论计算验证

通过密度泛函理论（DFT）揭示了AMPS的作用机制：
- 静电势分析：AMPS分解产物SO₃H⁻的负电势区域更集中（图2g），与Li⁺结合能（-24.488 kcal/mol）远高于完整AMPS分子（-6.963 kcal/mol），证实其强力捕获残留锂的能力。
- HOMO-LUMO能级：AMPS的窄带隙（5.87 eV）和C=O双键的电子离域特性（图2h）有利于形成具有弹性的聚合物网络SEI。

主要研究结果

1. SEI形貌调控：AMPS通过磺酸基与硅/石墨表面的化学键合，形成三维导电网络，抑制了体积膨胀导致的SEI破裂（SEM图2e-f）。
   
2. 电化学性能提升：ICE提升至91.24%的关键在于AMPS消耗了过量预锂化残留（XPS显示O-C=O峰消失，图4c），同时其分解产物参与构建了富LiₓPOᵧF₂的SEI（XPS定量分析）。
   
3. 理论机制阐明：DFT计算证明SO₃H⁻优先与Li⁺结合，而AMPS的共轭结构通过自由基聚合形成弹性SEI基质（图2h-i）。

结论与价值

该研究创新性地将AMPS作为预锂化辅助剂，解决了Si/C负极在产业化中的两大瓶颈问题：（1）通过精准控制锂补偿量避免安全隐患；（2）构建兼具机械强度和离子传导性的SEI。其科学价值体现在：
- 方法论创新：首次提出隔膜锚定AMPS的策略，拓展了预锂化技术的设计维度。
- 应用潜力：在0.5C下180次循环后容量保持率83.8%的性能，接近商用石墨负极水平（通常>90%），为高能量密度电池开发提供了可行方案。

研究亮点

1. 双重功能设计：AMPS同时作为残留锂清除剂和SEI成膜促进剂，突破传统添加剂单一功能的局限。
   
2. 跨尺度表征：结合SEM/XPS等实验手段与DFT计算，从原子尺度到宏观性能系统揭示了AMPS的作用机制。
   
3. 可放大性：喷雾沉积法兼容现有电池制造工艺，具有工业化应用前景。
   

其他发现

• 浓度阈值效应：20 wt.% AMPS溶液是实现均匀沉积与离子传导平衡的最优解（支持信息图S1-S2）。
  
• SEI组分演化：AMPS促使SEI中有机组分（如ROSO₂Li）与无机相（LiₓPOᵧF₂）协同增强界面稳定性（图4d-f）。
  

这项研究为硅基负极的实际应用提供了新的技术路径，其”材料-界面-器件”一体化的研究范式对其它高体积膨胀电极体系（如锡、锑基负极）也有借鉴意义。