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2022年6月，中國(guó)科協(xié)發(fā)布2022重大科學(xué)問題、工程技術(shù)難題和產(chǎn)業(yè)技術(shù)問題，其中“ 如何實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鋰金屬電池的工程化應(yīng)用？”位列10個(gè)對(duì)工程技術(shù)創(chuàng)新具有關(guān)鍵作用的工程技術(shù)難題之一。鋰金屬電池技術(shù)是一項(xiàng)工程突破，將有利于改善電池性能，增強(qiáng)電池的電量持久力。因此，開發(fā)能量密度高、安全性能好的鋰金屬電池體系具有重要意義。

相比于傳統(tǒng)嵌入反應(yīng)型電池，鋰-氟化鐵轉(zhuǎn)換反應(yīng)型電池在質(zhì)量和體積能量密度上具有2-3倍的優(yōu)勢(shì)，可以滿足下一代移動(dòng)電源對(duì)超長(zhǎng)續(xù)航能力和便攜性的要求。然而，該電池體系通常會(huì)遭受正極轉(zhuǎn)換產(chǎn)物的失活和溶解，導(dǎo)致氟損失和容量快速下降等問題。鋰-氟化鐵體系的固態(tài)電池構(gòu)架可以增強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)換產(chǎn)物的體積壓實(shí)和空間限域效應(yīng)，抑制它們擠出(或溶解)到電解質(zhì)中，有望改善氟化物電池的循環(huán)穩(wěn)定性。聚氧化乙烯(PEO)基聚合物電解質(zhì)可提供與氟化鐵正極的軟質(zhì)界面接觸，增強(qiáng)電極-電解質(zhì)界面的柔韌性和融合度，可進(jìn)一步提高Li-Fe-F轉(zhuǎn)換固態(tài)電池的綜合性能，但其低的機(jī)械強(qiáng)度無法抑制鋰金屬負(fù)極的形變，其軟質(zhì)界面也可能包埋來自正極端的含F(xiàn)反應(yīng)產(chǎn)物，因而正極F元素?fù)p失和容量衰減的現(xiàn)象仍然存在。

中國(guó)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)，提出了對(duì)聚合物電解質(zhì)和轉(zhuǎn)換反應(yīng)正極的雙重氟化策略，率先構(gòu)建出大尺寸軟包構(gòu)型的固態(tài)鋰-氟化鐵電池，獲得了高達(dá)500-600 mAh/g的可逆容量(正極能量密度可達(dá)1308 Wh/kg)?？蒲腥藛T研制出氟化增強(qiáng)型的全固態(tài)Li-FeF3電池。AlF3粒子在正極界面處的融入可以提供額外的F源來補(bǔ)償FeF3正極反應(yīng)過程中的F損失，從而實(shí)現(xiàn)更好的轉(zhuǎn)換反應(yīng)可逆性。受益于轉(zhuǎn)換反應(yīng)中高的贗電容貢獻(xiàn)和鋰擴(kuò)散系數(shù)，界面氟化改性的Li-FeF3電池展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能(3.5 A/g時(shí)容量260 mAh/g)和超長(zhǎng)的循環(huán)能力(700 mA/g時(shí)循環(huán)至少900次)，其軟包體系可在超薄電解質(zhì)膜條件下可逆循環(huán)200次以上。

相關(guān)論文Dual fluorination of polymer electrolyte and conversion-type cathode for high-capacity all-solid-state lithium metal batteries于近日發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)。

來源： 中科院上海硅酸鹽研究所

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