【儀表網 研發快訊】多電子轉移反應是設計高能量密度電池的重要途徑，而轉換型氟離子電池依托正極多價金屬氟化物的多電子反應及其高的反應電位，理論上可實現超高的體積能量密度。對于液態電解質的氟離子電池，根據技術經濟分析，其基于特定電極配置的電池堆模型能實現588 Wh/kg(1393 Wh/L)的能量密度，同時由于氟的天然儲量豐富，該電池堆單位能量密度的成本可低至20$/kWh。然而，氟離子電池的理論能量密度優勢在實驗上迄今仍未實現，尤其是在低溫(<100 ℃)甚至室溫條件下，主要原因之一是缺乏相應溫度下具有高離子傳輸性能和電化學穩定性的電解質。液態電解質雖然室溫離子電導率相對固態電解質更高，且對電極的潤濕性更好，但其面臨的主要挑戰是陽離子與氟離子之間的強晶格能易導致氟鹽在常規非質子溶劑中難以被溶劑化甚至不溶。而陰離子受體(AA)通過路易斯酸堿作用絡合氟離子可一定程度削弱氟鹽晶格能，促進氟鹽解離溶劑化。但是常規的硼基AA由于硼的強路易斯酸性，雖可有效促進氟鹽溶解，但也使氟離子難以脫溶劑化以參與電極反應，從而導致氟離子電池的電化學性能差(如循環穩定性、反應動力學等)。
針對上述問題，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟帶領的團隊設計了一種基于非硼基陰離子受體(6-Thioguanine，TG)和砜類溶劑的室溫氟離子電池電解液，其室溫離子電導率可高達2.40 mS/cm，在非水氟離子電解質中處于最高水平。通過調控氟鹽濃度可優化正極電解質界面層(CEI)的導氟性能，并抑制活性物質的不可逆損失，從而使對應氟離子電池可實現室溫下的可逆循環。相關研究成果以Room-temperature reversible F-ion batteries based on sulfone electrolytes with a mild anion acceptor additive為題發表在《材料視野》(Materials Horizons)上。
該工作首先制備了室溫下不同氟鹽濃度的電解液。通過對不同電解液的核磁共振譜和紅外光譜分析，證實了TG分子對氟鹽在非質子溶劑二甲基亞砜(DMSO)溶解的促進作用；進而發現代表TG分子氫鍵鏈的寬峰發生窄化和藍移現象，結合吸附作用計算，表明TG分子咪唑環上-NH-的氫是TG對氟離子的作用位點，而這種作用相對于硼基AA對氟的吸附作用更弱，更有利于氟離子的遷移和脫溶劑化。基于該系列電解液，同時以CuF2和Pb分別為正負極組裝的室溫氟離子全電池，在50 mA/g電流密度下，初始放電容量最高可達381 mA h/g，循環40次后仍有126 mA h/g的可逆容量，極化電壓可低至0.36 V。進一步對正負極的物相演變進行表征，研究人員發現放電過程中正極發生脫氟反應，負極發生氟化反應，表示為CuF2 (正極) + Pb (負極) → Cu + PbF2，充電過程則相反，表示為Cu (正極) + PbF2 (負極) → CuF2 + Pb。
然而，離子電導率最高的電解液配方并非氟離子電池性能最佳的配方，這表明由不同配方電解液衍生的界面層性質也是影響氟離子電池性能的重要因素。通過對CEI的成分分析，研究發現電池性能最優的電解液(CTD3)由于其適當的高鹽濃度，增強了電解液的電化學穩定性，減少了電解液中硫元素深度還原成S2-，避免了S2-對Cu2+/Pb2+的捕獲，減少了活性物質的損失；同時CTD3的CEI中含有更多導氟相(PbF2)，增強了界面的氟離子傳輸能力，從而提高了電池的可逆性和反應動力學。這項工作為可充氟離子電池的電解質設計提供了新的種類和配方，并揭示了衍生電極-電解質界面特性對氟離子電池性能的重要影響。
相關研究工作得到國家自然科學基金委員會和上海市科學技術委員會等的支持。
砜類電解液的制備及結構表征
電解液的紅外光譜特征和組分交互作用
電解液離子電導率及對應氟離子電池性能
Pb負極和CuF2正極的循環物相演變
正極電解質界面層CEI的成分演變
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