新型鹵素轉(zhuǎn)換插層化學(xué)打造高能鋰離子水系電池

據(jù)外媒報(bào)道，馬里蘭大學(xué)的一組研究人員首次在石墨中引入鹵素轉(zhuǎn)換插層化學(xué)，創(chuàng)新研發(fā)復(fù)合電極，容量為243 mAh／g（就電極總重量而言） ，平均電位為4．2 V， vs Li／Li＋。團(tuán)隊(duì)人員將這一陰極與鈍化石墨陽極相結(jié)合，打造出能達(dá)到4V的鋰離子水系全電池，能量密度為460 Wh／kg，庫侖效率約為100％。

越來越多的研究人員開始使用“water－in－salt”電解質(zhì)，能極大擴(kuò)展水溶液鋰離子電池的電化學(xué)窗口，達(dá)到3－4伏特，使高壓陰極與低電位石墨陽極耦合成為可能。然而，由于典型過渡金屬氧化物陰極的鋰插入能力有限，小于200 mA h／g，無法獲得更高能量密度。部分或全部陰離子的氧化還原反應(yīng)，可以讓容量升高，但不具備可逆性。

該電池基于負(fù)離子轉(zhuǎn)換－插層機(jī)制，結(jié)合高能量密度的轉(zhuǎn)換反應(yīng)，具有插層的優(yōu)良可逆性，提高水系電池的安全性。新的陰極化學(xué)方法具有轉(zhuǎn)化反應(yīng)的高能量，以及拓?fù)涠ㄏ虿迦氲膬?yōu)良可逆性，因而被稱為轉(zhuǎn)化－插層化學(xué)機(jī)制。通過石墨中鹵素陰離子（Br?和Cl?）的氧化還原反應(yīng)，將無水LiBr、LiCl與石墨按最佳質(zhì)量比為212混合，合成一種含有等摩爾鹵化鋰鹽（LiBr）0．5（LiCl）0．5－石墨（以下簡稱LBC－G）的復(fù)合電極。其中，高濃度的“water－in－bisalt ”（WIBS）電解質(zhì)，將部分水合LiBr／LiCl限制在固體陰極基體中。經(jīng)過氧化后，Br0和Cl0序貫插入石墨基質(zhì)中，作為固體石墨插層化合物（GICs）穩(wěn)定下來。

這種電池從根本上不同于“雙離子”電池。雙離子電池將復(fù)雜陰離子（PF6?、BF4?和TFSI?等），在低填充密度下，可逆性插入到石墨中，這些穩(wěn)定的陰離子不發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致容量低于120mAh／g。LBC－G全電池的能量密度約為460 Wh／kg，超過最先進(jìn)的非水液態(tài)鋰離子電池?？紤]到電解質(zhì)質(zhì)量后，其能量密度仍能達(dá)到304 Wh／kg。

作者Elisha