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科学家利用新型卤素转换插层化学 打造高能锂离子水系电池

据外媒报道,马里兰大学的一组研究人员首次在石墨中引入卤素转换插层化学,创新研发复合电极,容量为243 mAh/g(就电极总重量而言) ,平均电位为4.2 V, vs Li/Li+。团队人员将这一阴极与钝化石墨阳极相结合,打造出能达到4V的锂离子水系全电池,能量密度为460 Wh/kg,库仑效率约为100%。

越来越多的研究人员开始使用“water-in-salt”电解质,能极大扩展水溶液锂离子电池的电化学窗口,达到3-4伏特,使高压阴极与低电位石墨阳极耦合成为可能。然而,由于典型过渡金属氧化物阴极的锂插入能力有限,小于200 mA h/g,无法获得更高能量密度。部分或全部阴离子的氧化还原反应,可以让容量升高,但不具备可逆性。

该电池基于负离子转换-插层机制,结合高能量密度的转换反应,具有插层的优良可逆性,提高水系电池的安全性。新的阴极化学方法具有转化反应的高能量,以及拓扑定向插入的优良可逆性,因而被称为转化-插层化学机制。通过石墨中卤素阴离子(Br?和Cl?)的氧化还原反应,将无水LiBr、LiCl与石墨按最佳质量比为2:1:2混合,合成一种含有等摩尔卤化锂盐(LiBr)0.5(LiCl)0.5-石墨(以下简称LBC-G)的复合电极。其中,高浓度的“water-in-bisalt ”(WIBS)电解质,将部分水合LiBr/LiCl限制在固体阴极基体中。经过氧化后,Br0和Cl0序贯插入石墨基质中,作为固体石墨插层化合物(GICs)稳定下来。

这种电池从根本上不同于“双离子”电池。双离子电池将复杂阴离子(PF6?、BF4?和TFSI?等),在低填充密度下,可逆性插入到石墨中,这些稳定的阴离子不发生氧化还原反应,导致容量低于120mAh/g。LBC-G全电池的能量密度约为460 Wh/kg,超过最先进的非水液态锂离子电池。考虑到电解质质量后,其能量密度仍能达到304 Wh/kg。

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