王春生團(tuán)隊(duì)Joule:鹵化物實(shí)現(xiàn)無(wú)Co無(wú)Ni正極

先進(jìn)正極材料的開發(fā)對(duì)于提高電池的能量密度和降低成本從而實(shí)現(xiàn)綠色能源轉(zhuǎn)型和零碳排放的目標(biāo)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的層狀過(guò)渡金屬氧化物（LMO2）正極已經(jīng)接近理論比容量的極限，并面臨著潛在的鈷和鎳資源的短缺。因此亟需開發(fā)具有高比容量和元素豐度的正極材料。鹵化物正極具有較高的反應(yīng)電位和理論比容量(LiCl: 632 mAh/g, LiBr: 308 mAh/g, LiI: 190 mAh/g)，因此有可能實(shí)現(xiàn)高的能量密度。然而，因?yàn)樾枰朔涓叻磻?yīng)活性的挑戰(zhàn)，鹵化物正極很少被研究。

【工作介紹】

近日，馬里蘭大學(xué)王春生教授研究團(tuán)隊(duì)提出鹵化物正極的液化規(guī)則形成穩(wěn)定的石墨插層化合物，結(jié)合電解質(zhì)設(shè)計(jì)，使得鹵化物正極具有高可逆性。作為概念驗(yàn)證，在室溫下實(shí)現(xiàn)可逆的LiCl-LiIgraphite、LiCl-LiBr-graphite和LiBr-graphite正極，以及在-30℃下可逆的LiCl-graphite正極。該研究成果以“Lithium halide cathodes for Li metal batteries”為題發(fā)表在期刊Joule上，論文通訊作者是王春生教授，第一作者是徐吉健、Travis P. Pollard和楊重寅。

【核心內(nèi)容】

作者提出，液化鹵素或鹵素間化合物以形成穩(wěn)定的石墨插層化合物是實(shí)現(xiàn)鹵化物正極高可逆性的先決條件。氣體或固體鹵素可以通過(guò)使用不同電負(fù)性的鹵素化合物或改變溫度來(lái)液化。舉例來(lái)說(shuō)，固體I2和氣態(tài)Cl2不能單獨(dú)插層到石墨中，但液態(tài)ICl鹵間化合物可以可逆地共同插層到石墨中 （圖1）。此外，液態(tài)Br2可以插層到石墨中，并且由于石墨層間的強(qiáng)約束作用，將Cl限制在液態(tài)BrCl中，使BrCl共插層高度可逆。或者在-30℃下液化Cl2氣體也使Cl2-石墨插層反應(yīng)高度可逆。結(jié)合類離子液體的電解液設(shè)計(jì)使得鹵化物及其氧化產(chǎn)物在電解液中不溶（圖2），并進(jìn)一步通過(guò)形成穩(wěn)定的CEI去阻止正極可能的溶出（圖5），從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電化學(xué)性能（圖3，圖4）。

圖1. 基于轉(zhuǎn)換-插層反應(yīng)的鹵化物正極

圖2. 電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)和特性

圖3. 室溫電化學(xué)性能表征

圖4. 低溫電化學(xué)性能表征和軟包電池電化學(xué)性能

圖5. 正極CEI界面層的表征及其可能的形成路徑

【結(jié)論】

綜上所述，本文系統(tǒng)研究了系列鹵化物正極材料。通過(guò)液化插層形成穩(wěn)定的石墨插層化合物以及電解液的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高度可逆的鹵化物正極。以LiCl-LiBr-graphite為例，其具有和傳統(tǒng)LiMO2型正極類似的輸出電壓，更高的比容量，因此更高的能量密度。鹵化物正極還具備低成本和高元素豐度等優(yōu)點(diǎn)，為無(wú)Co, 無(wú)Ni的高能量密度的正極提供了前所未有的機(jī)會(huì)。

審核編輯 ：李倩