上海硅酸盐所在金属氟/硫基电池的界面催化/限域研究中取得系列进展

随着储能需求的日益增长，基于嵌入机制的锂离子电池难以满足诸如电动汽车和智能电网等长续航和大规模储能体系的性能要求。转换型氟/硫基正极通过活性中心的多电子转移反应，能够冲破单电子嵌入化学的束缚，具备实现高比容量和高能量密度储能的潜质（例如：Li-FeF3和Li-FeS2的理论值分别可达712和894 mAh/g；1950和1671Wh/kg）。然而，氟/硫基正极的持久可逆转换反应受到反应动力学迟缓和空间限域困难的阻碍。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所李驰麟研究员团队联合中国工程物理研究院崔艳华研究员团队，提出界面氟化的策略，分别实现LiF和多硫物质的高效转换，相关成果近期发表在国际材料领域期刊Adv. Funct. Mater.和J. Mater. Chem. A上。

含内置锂源的LiF与低价态金属氧化物（或金属氟化物或过渡金属单质）复合正极可通过自驱动的转换反应实现高比容量的输出，但LiF的充分裂解通常需要匹配高充电电位（4.5–5.0 V），从而导致电池的能量效率严重受损（<80%）。针对此问题，研究团队首次采用尖晶石型结构的NiFe2O4作为双活性中心宿主，通过脉冲激光沉积技术制备高氟化界面丰度的LiF/NiFe2O4纳米薄膜正极。广泛分布的三维LiF/NiFe2O4界面网络能够提供充足的氧化还原反应位点，加速LiF裂解/重构和NiFe2O4氟化/脱氟的反应动力学。得益于此，该含锂氟基正极在低充电截止电压（4.2V）下即可实现充分的锂氟转换反应（赝电容储能贡献超过90%），在大比容量（~237mAh/g）和高能量效率（~88%）兼得的同时，其优异的循环稳定性和倍率性能也处于已报道的预锂化氟基正极的最高水平。高催化活性NiFe2O4宿主材料匹配足量的氟化界面是开发商用LiF基预锂化转换正极的重要策略之一。该成果以“Low-Overpotential LiF Splitting in Lithiated Fluoride Conversion Cathode Catalyzed by Spinel Oxide”为题，发表于Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2009133.上。

多硫组分的空间限域和催化激活问题一直阻碍着高比容量/能量密度的硫系正极的深化应用。针对此问题，研究团队提出了一种Fe-S结构核心和氟化表面的新型组合构型，以实现FeS2@S双活性相正极的高效限域和转换。S-S组分和亲硫Fe-S结构核心之间的紧致贴合能够增强内置吸附催化效应，而疏硫的氟化表面能够进一步抑制多硫活性物质的界面溶出。此外，导电FeS2晶粒的紧致堆垛配合氟化碳层的交联包裹强化了电子/离子传输网络的空间渗透性和连续性。亲硫/疏硫紧致构型的调制助力了S-S组分的空间限域和反应动力学的升级，促进了双活性相的协同转换反应，赋予了FeS2@S正极的高可逆比容量（储锂和储钠分别可达1000 mAh/g和600 mAh/g）和稳定长循环（1 C倍率下储锂循环700圈和储钠循环1000圈后的比容量仍可分别保持在800 mAh/g和370 mAh/g，对应的正极能量密度分别可达1200 Wh/kg和480 Wh/kg）。这种用于保证S-S组分可持续高效利用的新型正极构型为转换型硫系金属电池的发展提供了一种可行策略。该成果以“Tight bonding and high-efficiency utilization of S-S moieties to enable ultra-stable and high-capacity alkali-metal conversion batteries”为题，发表于J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 6160-6171.

上述论文第一作者分别是中物院博士生魏开远和上海硅酸盐所博士生陈克艺，相关研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技创新行动计划等项目的资助和支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202009133

https://doi.org/10.1039/D0TA11049C

尖晶石结构NiFe2O4催化LiF高效裂解以助力持久高效转换的氟基正极

疏硫氟化表面和亲硫Fe-S结构核心的协同限域/激活效应保证多硫组分的持久高效转换