支春义/Minshen Zhu/李新亮Chem：基于可逆互卤键的可充电锂离子电池 | Cell Press对话科学家
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10月18日，香港城市大学支春义教授、开姆尼茨工业大学Minshen Zhu以及郑州大学李新亮教授等人在Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem上发表了题为“Development of an energy-dense and high-power Li-Cl₂ battery using reversible interhalogen bonds”的研究论文。文章报道的基于可逆互卤键的可充电锂离子电池的研究为开发含卤化合物正极材料开辟了新的途径。
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阴离子氧化还原反应将获得比典型过渡金属氧化物正极更高的容量，为先进的锂离子电池低成本电化学反应提供更多可能性。基于阴离子氧化还原反应的Cl0/−1的Li-Cl2电池表现出优异的工作电压(~3.8 V)和容量(756 mAh g−1)。然而，在使用有机电解质的锂离子电池中，尚未开发出具有氧化还原活性和可逆性的含氯正极。这是因为通过离子键结合的氯离子很难溶解在有机电解质中，这阻碍了氧化还原反应热力学；同时，氯离子在氧化过程中很容易形成氯气，腐蚀电池组件。
在这里，香港城市大学支春义教授、开姆尼茨工业大学Minshen Zhu以及郑州大学李新亮教授等人报告了一种以卤素互化物三氯化碘(ICl3)为正极的电池系统解决上述问题。原位和非原位光谱数据和计算表明，还原的Cl⁻离子部分溶解在电解质中，氧化的Cl⁰通过形成互卤键被锚定。可逆Li-Cl2电池在425 mA g−1时比容量为302 mAh g−1，在1250 mA g−1时容量保持率为73.8%。本文报道的基于可逆互卤键的可充电锂离子电池的研究为开发含卤化合物正极材料开辟了新的途径。
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者支春义教授进行了专访，请他为大家做进一步的深入解读。
CellPress：
近两年来，Li-Cl2电池的研究得到了广泛的关注，相比于传统的电池，该电池体系有什么特点和优势呢？
支春义教授：
Li- Cl2电池作为一种新型转化型电池，不同于传统锂电池正极材料的插层储能机理，依靠氯的氧化还原（Cl-/Cl0）存储能量。Li- Cl2电池的研究和发展不仅可以大大突破传统正极材料的容量限制，还可以缓解钴镍资源的焦虑以及其价格飞涨带来的成本压力，因而得到广泛关注。
Li-Cl2电池的具体优点包括：1.能量密度高。氯电极具有756 mAh g-1的高理论比容量和1.36V vs. SHE的高氧化还原电位，而锂负极具有低至-3.04 V的电极电位低，使得Li- Cl2电池具有能量密度高的优势，从而可以储存更多的电能。2. 高功率密度。卤素转化反应的本征反应动力学远超插层型阴极，使得Li- Cl2电池具有比其他锂离子电池更快的充放电速率。3. 可持续。氯在地球上有极其丰富的储量，有望成为一种低成本可持续的正极材料。4. 绿色环保。Li- Cl2电池是相对环保的电池，不含重金属物质。
CellPress：
Li-Cl2电池具有非常好的发展前景，当前的研究中遇到了哪些技术难题？
支春义教授：
Li-Cl2电池的挑战：1. 寻找能够进行可逆反应的正极材料。一方面，有机体系缺乏可氧化的氯离子，另一方面高价氯的气态形式使得其极易逸出电极无法放电。2. 匹配耐高压耐氧化的电解液。高反应电位以及高价氯的氧化活性，对电解液中的盐和溶剂均提出了很高的要求。3. 提升隔膜、集流体等其他材料的抗腐蚀性。
CellPress：
面对这些技术难题，您进行了哪方面的思考和探索，在本文中是如何优化电池结构和性能的呢？
支春义教授：
针对以上挑战，首先我们寻找到在有机电解液中具有一定溶解性的正极材料，克服了反应的热力学壁垒，并通过I-Cl互卤键稳定了高价的氯，使其能够可逆的充放电。且正极采用活性炭和活性材料的复合结构，既能够稳定电极活性物质从而抑制穿梭效应，又能够提供丰富的反应比表面积提升反应速率。其次，我们选用了醚类电解液，能够匹配电极进行可逆的充放电。此外，隔膜及集流体的选择上，也进行了许多尝试。
CellPress：
本文介绍了一种卤化物正极ICl3，您是如何想到使用这个化合物的呢，又是怎么证明该正极可逆性的呢？
支春义教授：
相比于物理吸附，互卤键是一种采用化合键稳定气态氯的更有效方法。寻找一种稳定的互卤键化合物作为正极，并通过实验探究其键断裂和形成的可逆性成为一个有趣的想法，固态的ICl3 因此成为我们的实验目标。寻找到实验目标后，首先是设计电极结构和制备电极，通过电化学实验检测充放电的可逆性。令人兴奋的是，ICl3呈现多电子转移的电化学结果，且全过程具有很好的反应活性和可逆性。接下来更为重要的是，如何获得反应机理来帮助我们理解反应过程，通过模拟计算的方法我们预测了每一步反应过程和产物，并采用光学表征的手段验证了理论模拟。
CellPress：
Li-Cl2电池的研究方兴未艾，您认为这项工作对该领域的后续研究有什么指导价值？
支春义教授：
目前Li-Cl2电池尚缺少丰富的正极材料以供选择，该工作所提出的正极材料面临的挑战以及理想正极材料的设计原则，对后续研究具有普遍的指导。基于这一原则，本工作所选用的正极材料呈现的优异可逆性和对其反应机理的深入分析，都将对后续研究提供借鉴。此外，该工作在与理论容量的对比及循环寿命等方面尚存在许多不足之处，期待该领域后续研究工作提出新策略，有所新突破。
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研究成果发表于在Cell Press旗下Chem期刊上
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▌论文标题：
Development of an energy-dense and high-power Li-Cl₂ battery using reversible interhalogen bonds
▌论文网址：
https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(23)00476-X
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.09.021
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