上海硅酸盐所在金属氟/硫基电池的界面催化和限

随着储能需求的增加，基于嵌入式机制的锂离子电池已无法满足电动汽车、智能电网等长期、大规模储能系统的性能要求。转化型氟/硫基正极可通过活性中心的多电子转移反应突破单电子嵌入化学的限制，具有实现高比容量和高能量密度储能的潜力，如如：Li-FeF₃和Li-FeS₂的理论值分别达到712和894mAh/g；分别为 1950 和 1671 Wh/kg。然而，氟/硫基正极的持久可逆转化反应受到反应动力学缓慢和空间限制困难的阻碍。

近日，中科院上海硅酸盐研究所李赤林研究员和中国工程物理研究院崔艳华研究员团队提出了界面氟化策略。实现 LiF 和多硫物质的高效转化。

内置锂源的LiF与低价金属氧化物（或金属氟化物或过渡金属单质）复合正极可通过自驱动转化反应实现高比容量输出，但LiF就足够了开裂通常需要匹配较高的充电电位（4.5-5.0 V），这会导致电池的能效严重受损（<80%）。为此，研究人员首次采用尖晶石结构的NiFe₂O₄作为双活性中心主体，通过脉冲制备高氟化界面丰度。激光沉积技术。 LiF/NiFe₂O₄纳米薄膜阴极。广泛分布的三维 LiF/NiFe₂O₄ 界面网络可以提供足够的氧化还原反应位点以加速 LiF 裂解/重建和 NiFe₂ sub>O₄ 氟化/脱氟反应动力学。因此，含锂氟基正极可以在较低的充电截止电压（4.2V）（赝电容器储能贡献90%以上）下实现充分的锂氟转化反应，同时考虑到大比容量（~237mAh/g）和高能量效率（~88%），其优异的循环稳定性和倍率性能也是预锂化氟基正极报道的最高水平。高催化活性的 NiFe₂O₄ 主体材料与足够数量的氟化界面相匹配，是开发人员使用基于 LiF 的预锂化转化正极的重要策略。相关研究成果发表在Low-Overpotential LiF Splitting in Lithiated Fluoride Conversion Cathode by Spinel Oxide。

多硫组分的空间限制和催化活化阻碍了具有高比容量/能量密度的硫基正极的深入应用。针对这一问题，研究人员提出了一种新的Fe-S结构核与氟化表面的组合配置，以实现FeS₂@S双活性相阳极的高效约束和转化。 S-S组分与亲硫Fe-S结构核之间的紧密配合可以增强内置吸附催化效果，硫还原氟化表面可以进一步抑制多硫活性物质的界面溶解。此外，导电FeS₂晶粒的紧密堆积和碳氟化合物层的交联包裹增强了电子/离子传输网络的空间渗透性和连续性。亲硫/疏硫紧密构型的调节有利于SS组分的空间限制和反应动力学的升级，促进双活性相的配位转化反应，并赋予FeS₂@S高正极的可逆比容量（锂存储分别高达1000 mAh/g和600 mAh/g，600 mAh/g）和稳定的长循环（在1 C的倍率下，锂700次循环后比容量保持不变储存和1000次钠储存循环）分别可维持在800 mAh/g和370 mAh/g，对应的正极能量密度分别可达到1200 Wh/kg和480 Wh/kg）。这种用于确保S-S组分可持续高效利用的新型正极配置，为转化型硫属化物金属电池的发展提供了可行的策略。该成果发表在S-S部分的紧密结合和高效利用以实现超稳定和高容量碱金属转换电池的标题上。

相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技创新行动计划的支持。

图1.尖晶石结构NiFe₂ O< sub>4 一种氟基正极，可催化 LiF 的高效热解以促进持久高效的转化

图2. 磺基氟化表面和亲硫Fe-S结构核的协同限制/活化作用确保了多硫组分的持久高效转化

[来源：上海硅酸盐研究所]

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