新研究有望使氟离子电池超越概念验证阶段

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近日，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员李驰麟团队、孙宜阳团队合作，首次提出了一种基于强溶剂化削弱策略的质子型电解液，促成了扣式氟离子电池在室温下的高可逆循环，有望使氟离子电池超越概念验证阶段。相关成果发表于《ACS能源快报》。

实现多电子转移反应是设计高能量密度储能电池的重要途径。基于单价氟离子穿梭的转换型氟离子电池具有较好的反应动力学，而依托正极多价金属氟化物的多电子反应及高反应电位，理论上可实现超高的体积能量密度。但在氟离子电池的发展进程中，有机电解液的研制滞后于固态电解质的开发。由于强晶格能，氟盐在有机溶剂中的溶解性较差，尽管具有Lewis酸性的添加剂可促进氟盐溶解，但氟离子的高亲核性会攻击酸性原子，引起副反应并导致电池性能变差。因此，开发合适的电解质是目前氟离子电池研究的重要任务之一。

研究团队评估了不同氯化胆碱（ChCl）浓度对乙二醇（EG）中氟离子溶剂化程度的影响。溶解度测试、19F核磁共振谱和分子动力学模拟等表明，ChCl可显著调控氟离子在EG中的溶剂化。电化学性能测试则发现，ChCl不仅影响了电解液离子电导率，还调节了电解液对隔膜的润湿性，且其与EG间的相互作用可提高电解液的电化学稳定性。

研究人员基于该系列电解液（LEn，n代表不同的EG与ChCl摩尔比），同时以CuF2和Pb分别为正负极，组装成室温氟离子全电池。研究发现，LE3时电解液离子电导率和电解液对隔膜润湿性分别处于较优和最优性能。此时，氟离子电池在50 mA/g电流密度下，初始容量可达523 mA h/g，循环150次后仍有112 mA h/g的可逆容量，即使在500 mA/g的大电流密度下（接近1 C），仍有166 mA h/g的可逆容量。基于该最优电解液组装的室温软包氟离子电池，实现了在20 mA/g电流密度下长达150次的可逆循环，且循环100次后的可逆容量仍有105 mA h/g，其库伦效率维持在97%-103%之间。进一步对正负极的物相演变进行表征，发现放电过程中正极发生脱氟反应，负极发生氟化反应，证实了氟离子穿梭的反应机制。 

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CuF2|LEn|Pb扣式电池的电化学性能 图片来源于《ACS能源快报》