“離子篩分”破解熱電池材料溶解難題

　　熱電池是一種利用熔融鹽電解質的新型儲備電池，具有快速激活、高功率輸出和長期儲存等優勢，在地質勘探、應急救援等領域有重要應用。

　　近日，中國科學院過程工程研究所研究員朱永平和王崧團隊在熱電池正極材料方面取得重要進展。他們在理論上提出基于“離子篩分”的選擇性限域策略，有效抑制了正極材料溶解與穿梭效應，實現熱電池電壓、比容量和比能量的大幅提升，相關性能數據為目前可搜索文獻中的最高值。相關成果發表于《先進科學》。

　　熱電池正極材料是當前相關行業亟需突破的關鍵方向。過渡金屬氟化物（TMF）具有高電壓和熱穩定性優勢，被視為下一代熱電池的理想正極。但其在熔鹽電解質中易發生溶解、穿梭的問題，制約了其實際應用。

　　2025年3月，王崧加入朱永平團隊，基于課題組長期的技術積累，利用多孔材料易調控的特性，為解決氟化物溶解、穿梭問題提供了新的視角。

　　此后，他們從理論上率先提出“離子篩分”的新概念，通過原位構筑亞納米多孔碳界面，類似“篩網”結構，包覆二氟化鈷正極材料，分離不同尺寸的離子。

　　亞納米多孔界面實現電解質與正極界面之間離子尺寸離子選擇性傳輸示意圖。研究團隊供圖

　　該“篩網”孔徑為0.54納米，可允許尺寸約為0.15納米的鋰離子自由傳輸，同時限制尺寸約為0.8納米的二氟化鈷衍生絡合離子在正極區域內，從而抑制活性材料的溶解流失，提升界面反應效率。

　　實驗數據顯示，采用“篩網”包覆的二氧化鈷正極熱電池，在100毫安每平方厘米的電流密度、500℃的條件下，實現了超過2.5伏的放電電壓、每克365毫安時的高比容量、每千克882瓦時的高比能量。

　　科研團隊表示，該電池的比容量和比能量，是目前可搜索文獻中性能最高的高壓熱電池正極數據。

　　與此同時，科研團隊高度重視科學規律的深入探索與系統總結，以理論高度引領應用實踐。

　　針對鈷離子在多組分熔鹽電解質中溶解機理不明的難題，他們回溯基礎文獻，并結合高溫溶解實驗、X射線衍射和熱力學計算等多種手段，最終確認溶解產物為直徑約0.8納米的四氯合鈷（II）復合離子。

　　“該離子由二氟化鈷與氯化鋰發生陰離子交換生成，是引發正極活性物質遷移和穿梭效應的主因。”王崧表示。

　　接下來，他們將探索更簡單的制備方法，讓“離子篩分”概念更簡單地運用在熱電池正極材料的研發上。

　　朱永平表示：“我們還將積極布局氟化物正極熱電池體系，希望實現熱電池性能的大幅度提高，實現我國熱電池技術的跨越式發展。”

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1002/advs.202521241