上海硅酸鹽所發(fā)展出基于層狀結(jié)構(gòu)電解質(zhì)的固態(tài)氟離子電池
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】氟離子電池，即利用負(fù)一價(jià)氟離子作為穿梭于正負(fù)極之間的載流子的二次電池器件。不同于鋰離子電池、鈉離子電池電池等，氟化物電池第一次以陰離子作為載流子并成功完成了可逆充放電。
固態(tài)氟離子電池(SSFIBs)是一種新興儲能體系，具有成本低、安全性好、能量密度大等潛在優(yōu)勢。相比于傳統(tǒng)的陽離子穿梭電池，氟離子電池可避免負(fù)極枝晶生長以及多價(jià)離子遷移緩慢等問題，還具有潛在的高體積能量密度(理論達(dá)5000 Wh/L)，但這一體系面臨著高導(dǎo)氟離子電解質(zhì)缺乏以及低溫下(<100 ℃)電化學(xué)可逆性不佳等挑戰(zhàn)。目前用于氟離子傳導(dǎo)的固態(tài)電解質(zhì)主要包括氟鈰锎礦(tysonite)和螢石(fluorite)相等氟化物，而它們僅在高溫下(>150 ℃)表現(xiàn)出10-4 S/cm的高離子電導(dǎo)率，導(dǎo)致對應(yīng)SSFIBs的可逆循環(huán)需要高溫維持，限制了其應(yīng)用場景。
中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，首次設(shè)計(jì)了基于二維層狀氟化物(KSn2F5)和界面改性策略的準(zhǔn)固態(tài)氟離子電池。在接近室溫(60 ℃)的條件下，該電池的初始放電容量達(dá)到442 mAh/g，即便循環(huán)70次后仍有150 mAh/g的可逆容量。
該工作利用機(jī)械化學(xué)法合成了具有層狀結(jié)構(gòu)和豐富氟空位的KSn2F5電解質(zhì)。該電解質(zhì)在室溫下的離子電導(dǎo)率為2.32 x 10-5 S/cm，在60 ℃下的離子電導(dǎo)率可達(dá)10-4 S/cm，高于同溫度下多數(shù)報(bào)道的氟鈰锎礦和螢石相氟化物。研究通過對載流子生成和遷移過程的熱力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)高離子導(dǎo)電率得益于KSn2F5更高的載流子濃度和跳躍頻率。通過痕量潤濕劑(四丁基氟化銨鹽)對電極-電解質(zhì)界面進(jìn)行修飾，可改善顆粒間接觸，降低界面?zhèn)髻|(zhì)和電荷傳遞的能壘，促進(jìn)氟離子界面?zhèn)鬏?。研究通過界面動力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)動力學(xué)參數(shù)與電解質(zhì)離子電導(dǎo)率呈線性關(guān)系，表明氟離子電池的反應(yīng)速率受控于固態(tài)電解質(zhì)的體相離子電導(dǎo)率。因此，探索更高氟離子電導(dǎo)率的電解質(zhì)并實(shí)施合理的界面工程對構(gòu)建高性能的固態(tài)或準(zhǔn)固態(tài)氟離子電池至關(guān)重要。
對充放電后正極形貌及物相微結(jié)構(gòu)的分析表明，放電過程中氟化銅發(fā)生脫氟反應(yīng)而生成銅，銅的高遷移性使得放電產(chǎn)物呈現(xiàn)出無明顯邊界的團(tuán)聚形貌；充電過程則對應(yīng)氟化反應(yīng)，顆粒的氟化阻礙了銅的遷移，促進(jìn)了氟化銅顆粒的高度分散。充放電過程中的電化學(xué)研磨和納米尺寸效應(yīng)有助于復(fù)合電極在長期循環(huán)中保持電化學(xué)活性。該電池在較低溫度(60 ℃)和較大電流密度(20 mA/g)下表現(xiàn)出可逆的轉(zhuǎn)換反應(yīng)循環(huán)，其充放電過電位僅為100 mV，這一基于層狀電解質(zhì)的氟離子電池的電化學(xué)性能在已報(bào)道的固態(tài)或準(zhǔn)固態(tài)氟離子電池中處于優(yōu)異水平。
相關(guān)研究成果Near-Room-Temperature Quasi-Solid-State F-Ion Batteries with High Conversion Reversibility Based on Layered Structured Electrolyte于近日發(fā)表在Advanced Energy Materials上。
資料來源：上海硅酸鹽研究所
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