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隨著儲能需求日益增長，基于嵌入機制的鋰離子電池難以滿足諸如電動汽車和智能電網(wǎng)等長續(xù)航和大規(guī)模儲能體系的性能要求。轉(zhuǎn)換型氟/硫基正極通過活性中心的多電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，能夠沖破單電子嵌入化學(xué)的束縛，具備實現(xiàn)高比容量和高能量密度儲能的潛質(zhì)，例如：Li-FeF3和Li-FeS2的理論值可分別達712和894 mAh/g;1950和1671Wh/kg。然而，氟/硫基正極的持久可逆轉(zhuǎn)換反應(yīng)受到反應(yīng)動力學(xué)遲緩和空間限域困難的阻礙。

近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟團隊聯(lián)合中國工程物理研究院研究員崔艷華團隊，提出界面氟化的策略，分別實現(xiàn)LiF和多硫物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)換。

含內(nèi)置鋰源的LiF與低價態(tài)金屬氧化物(或金屬氟化物或過渡金屬單質(zhì))復(fù)合正極可通過自驅(qū)動的轉(zhuǎn)換反應(yīng)實現(xiàn)高比容量的輸出，但LiF的充分裂解通常需要匹配高充電電位(4.5–5.0 V)，從而導(dǎo)致電池的能量效率嚴重受損(<80%)。為此，研究人員首次采用尖晶石型結(jié)構(gòu)的NiFe2O4作為雙活性中心宿主，通過脈沖激光沉積技術(shù)制備高氟化界面豐度的LiF/NiFe2O4納米薄膜正極。廣泛分布的三維LiF/NiFe2O4界面網(wǎng)絡(luò)能夠提供充足的氧化還原反應(yīng)位點，加速LiF裂解/重構(gòu)和NiFe2O4氟化/脫氟的反應(yīng)動力學(xué)。因此，該含鋰氟基正極在低充電截止電壓(4.2V)下即可實現(xiàn)充分的鋰氟轉(zhuǎn)換反應(yīng)(贗電容儲能貢獻超過90%)，在兼顧大比容量(~237mAh/g)和高能量效率(~88%)的同時，其優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能也處于已報道的預(yù)鋰化氟基正極的最高水平。高催化活性NiFe2O4宿主材料匹配足量的氟化界面是開發(fā)商用LiF基預(yù)鋰化轉(zhuǎn)換正極的重要策略。相關(guān)研究成果以Low-Overpotential LiF Splitting in Lithiated Fluoride Conversion Cathode Catalyzed by Spinel Oxide為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上。

多硫組分的空間限域和催化激活問題阻礙著高比容量/能量密度硫系正極的深化應(yīng)用。圍繞該問題，科研人員提出Fe-S結(jié)構(gòu)核心和氟化表面的新型組合構(gòu)型，以實現(xiàn)FeS2@S雙活性相正極的高效限域和轉(zhuǎn)換。S-S組分和親硫Fe-S結(jié)構(gòu)核心之間的緊致貼合可增強內(nèi)置吸附催化效應(yīng)，而疏硫的氟化表面能夠進一步抑制多硫活性物質(zhì)的界面溶出。此外，導(dǎo)電FeS2晶粒的緊致堆垛配合氟化碳層的交聯(lián)包裹強化了電子/離子傳輸網(wǎng)絡(luò)的空間滲透性和連續(xù)性。親硫/疏硫緊致構(gòu)型的調(diào)制助力了S-S組分的空間限域和反應(yīng)動力學(xué)的升級，促進了雙活性相的協(xié)同轉(zhuǎn)換反應(yīng)，賦予了FeS2@S正極的高可逆比容量(儲鋰和儲鈉分別可達1000 mAh/g和600 mAh/g)和穩(wěn)定長循環(huán)(1 C倍率下儲鋰循環(huán)700圈和儲鈉循環(huán)1000圈后的比容量仍可分別保持在800 mAh/g和370 mAh/g，對應(yīng)的正極能量密度分別可達1200 Wh/kg和480 Wh/kg)。這種用于保證S-S組分可持續(xù)高效利用的新型正極構(gòu)型為轉(zhuǎn)換型硫系金屬電池的發(fā)展提供了一種可行策略。該成果以Tight bonding and high-efficiency utilization of S-S moieties to enable ultra-stable and high-capacity alkali-metal conversion batteries為題，發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。

相關(guān)研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科技創(chuàng)新行動計劃等的支持。