大化所副所长李先锋，最新Angew！多电子转移卤化物正极用于全固态锂电池

顶刊收割机 · 公众号 · · 2025-01-03 07:01

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采用不易燃固态电解质的全固态锂电池（ASSLBs）具有高能量密度和优异安全性，然而其能量密度受到低容量和低离子导电性的氧化物正极材料的极大限制。这些材料通常依赖于插层-脱出机制，且正极电解质含量为15~30 wt.%。

在此， 中国科学院大连化学物理研究所副所长李先锋团队 提出将Li _x FeX _x+2 （X=Cl，Br）系列作为高容量和高离子导电性的替代材料，通过3mol电子转移插层-转化耦合反应运行。

结果显示，使用95 wt.% LiFeCl ₃ 活性材料的无正极电解质ASSLBs具有446 mAh g ^-1 的高比容量和912 Wh kg ^-1 的高能量密度，超越了大多数氧化物正极材料。此外，在转化过程中形成的非晶态铁具有高活性，能催化LiX向Li _x FeX _x+2 的转化，这对于实现可逆的插层-转化反应至关重要。

图1. Li _x FeCl _x+2 的电化学性能

总之，该工作开发了Li _x FeX _x+2 （X=Cl，Br）系列正极材料。研究显示，该正极材料展现了两步插层-转化耦合反应机制，通过Fe³⁺和Fe之间的可逆转化实现了3mol电子的转移。凭借其较好的离子导电性，Li _x FeX _x+2 系列材料同时充当活性材料和正极电解质，使得基于Li _x FeX _x+2 的无正极电解质的全固态锂电池（ASSLBs）能够成功运行，且活性材料含量超过95 wt.%。

基于此，无正极电解质的配置使得电池能够实现446 mAh g⁻¹的高放电容量和912 Wh kg⁻¹的高能量密度，超越了大多数氧化物正极材料。因此，该工作为高能量密度的全固态锂电池开创了新路线。

图2. LiFeBr ₃ 正极材料的普适性验证

Multi-Electron Transfer Halide Cathode Materials Based on Intercalation-Conversion Reaction Towards All-Solid-State Lithium Batteries, Angewandte Chemie International Edition 2024 DOI: 10.1002/anie.202416635