新研究有望使氟離子電池超越概念驗證階段

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近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟團隊、孫宜陽團隊合作，首次提出了一種基于強溶劑化削弱策略的質子型電解液，促成了扣式氟離子電池在室溫下的高可逆循環，有望使氟離子電池超越概念驗證階段。相關成果發表于《ACS能源快報》。

實現多電子轉移反應是設計高能量密度儲能電池的重要途徑。基于單價氟離子穿梭的轉換型氟離子電池具有較好的反應動力學，而依托正極多價金屬氟化物的多電子反應及高反應電位，理論上可實現超高的體積能量密度。但在氟離子電池的發展進程中，有機電解液的研制滯后于固態電解質的開發。由于強晶格能，氟鹽在有機溶劑中的溶解性較差，盡管具有Lewis酸性的添加劑可促進氟鹽溶解，但氟離子的高親核性會攻擊酸性原子，引起副反應并導致電池性能變差。因此，開發合適的電解質是目前氟離子電池研究的重要任務之一。

研究團隊評估了不同氯化膽堿（ChCl）濃度對乙二醇（EG）中氟離子溶劑化程度的影響。溶解度測試、19F核磁共振譜和分子動力學模擬等表明，ChCl可顯著調控氟離子在EG中的溶劑化。電化學性能測試則發現，ChCl不僅影響了電解液離子電導率，還調節了電解液對隔膜的潤濕性，且其與EG間的相互作用可提高電解液的電化學穩定性。

研究人員基于該系列電解液（LEn，n代表不同的EG與ChCl摩爾比），同時以CuF2和Pb分別為正負極，組裝成室溫氟離子全電池。研究發現，LE3時電解液離子電導率和電解液對隔膜潤濕性分別處于較優和最優性能。此時，氟離子電池在50 mA/g電流密度下，初始容量可達523 mA h/g，循環150次后仍有112 mA h/g的可逆容量，即使在500 mA/g的大電流密度下（接近1 C），仍有166 mA h/g的可逆容量。基于該最優電解液組裝的室溫軟包氟離子電池，實現了在20 mA/g電流密度下長達150次的可逆循環，且循環100次后的可逆容量仍有105 mA h/g，其庫倫效率維持在97%-103%之間。進一步對正負極的物相演變進行表征，發現放電過程中正極發生脫氟反應，負極發生氟化反應，證實了氟離子穿梭的反應機制。 

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CuF2|LEn|Pb扣式電池的電化學性能 圖片來源于《ACS能源快報》