上海硅酸鹽所發展出基于層狀結構電解質的固態氟離子電池
【化工儀器網 項目成果】氟離子電池，即利用負一價氟離子作為穿梭于正負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勢。相比于傳統的陽離子穿梭電池，氟離子電池可避免負極枝晶生長以及多價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5000 Wh/L)，但這一體系面臨著高導氟離子電解質缺乏以及低溫下(<100 ℃)電化學可逆性不佳等挑戰。目前用于氟離子傳導的固態電解質主要包括氟鈰锎礦(tysonite)和螢石(fluorite)相等氟化物，而它們僅在高溫下(>150 ℃)表現出10-4 S/cm的高離子電導率，導致對應SSFIBs的可逆循環需要高溫維持，限制了其應用場景。
中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟帶領的團隊，首次設計了基于二維層狀氟化物(KSn2F5)和界面改性策略的準固態氟離子電池。在接近室溫(60 ℃)的條件下，該電池的初始放電容量達到442 mAh/g，即便循環70次后仍有150 mAh/g的可逆容量。
該工作利用機械化學法合成了具有層狀結構和豐富氟空位的KSn2F5電解質。該電解質在室溫下的離子電導率為2.32 x 10-5 S/cm，在60 ℃下的離子電導率可達10-4 S/cm，高于同溫度下多數報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分析，發現高離子導電率得益于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-電解質界面進行修飾，可改善顆粒間接觸，降低界面傳質和電荷傳遞的能壘，促進氟離子界面傳輸。研究通過界面動力學分析，發現動力學參數與電解質離子電導率呈線性關系，表明氟離子電池的反應速率受控于固態電解質的體相離子電導率。因此，探索更高氟離子電導率的電解質并實施合理的界面工程對構建高性能的固態或準固態氟離子電池至關重要。
對充放電后正極形貌及物相微結構的分析表明，放電過程中氟化銅發生脫氟反應而生成銅，銅的高遷移性使得放電產物呈現出無明顯邊界的團聚形貌；充電過程則對應氟化反應，顆粒的氟化阻礙了銅的遷移，促進了氟化銅顆粒的高度分散。充放電過程中的電化學研磨和納米尺寸效應有助于復合電極在長期循環中保持電化學活性。該電池在較低溫度(60 ℃)和較大電流密度(20 mA/g)下表現出可逆的轉換反應循環，其充放電過電位僅為100 mV，這一基于層狀電解質的氟離子電池的電化學性能在已報道的固態或準固態氟離子電池中處于優異水平。
相關研究成果Near-Room-Temperature Quasi-Solid-State F-Ion Batteries with High Conversion Reversibility Based on Layered Structured Electrolyte于近日發表在Advanced Energy Materials上。
資料來源：上海硅酸鹽研究所
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