非晶正极材料实现高可逆性锂离子电池插层和转化反应！

Original Energist 能源学人

第一作者：Jaehoon Heo

通讯作者：Kisuk Kang

通讯单位：首尔大学

【研究亮点】

本文发现了一种无定形a-LiFeSO₄F正极材料，它可以利用嵌入和转化反应，同时具有可逆循环稳定性。a-LiFeSO₄F电极的容量为360 mAh g⁻¹，即使在高温（60 °C）下循环200次后容量保持率约为 98.6%。与传统的插层/转化型电极相比，其可逆循环稳定性归因于a-LiFeSO₄F固有的无定形结构，即使在转化反应之后，其结构完整性也不会受到严重影响，从而可以继续作为插层主体。

【主要内容】

锂离子电池 (LIB) 已被广泛应用于电动汽车和可再生能源大规模储能系统。然而，这些应用的持续改进依赖于先进LIB技术的发展——具有更高能量密度和更低成本的双重特点。当前LIB技术在能量密度和成本方面的局限性主要与层状过渡金属氧化物的正极材料有关，例如 LiNi_1−x−yCo_xMn_yO₂ (0 ≤ x, y ≤ 1)，其实际容量为迅速达到它们的理论界限。在过去的几十年里，研究人员广泛寻找基于储量丰富元素的替代正极材料，从而发现了几种基于铁-氧化还原对的重要材料，包括 LiFePO₄、LiFeSO₄F和 Li₂FeP₂O₇。然而，使用重聚阴离子给电极材料增加了额外的重量，从而导致显著低的比容量，这对于商业正极材料是不可接受的。克服固有限制的一种假设方法是在插层反应基础上利用额外的电荷存储机制，例如转换反应。研究人员已经确定并提出了几种高压转换型电极作为正极材料，如FeOF、NiF₂、TiF₃、FeF₂ 和 FeF₃，显示出作为高容量正极的前景。然而，这些高压转换型正极材料在重复转换反应期间无法提供足够稳定的容量保持。

鉴于此，首尔大学Kisuk Kang教授课题组提出了一种无定形a-LiFeSO₄F，它能够通过具有高可逆性的插层和转化反应在1.5–4.7 V电压区间内（相对于Li⁺/Li）提供高达 360 mAh g⁻¹的可逆容量，对应于Fe²⁺/³⁺插层反应的单电子转移(110 mAh g⁻¹)和Fe⁰/²⁺的双氧化还原转化反应(250 mAh g⁻¹)。它还实现了超过200次循环的出色循环稳定性，在25 °C和60 °C下的容量保持率分别为90%和98.6%。作者观察到的可逆反应归因于 a-LiFeSO₄F 的无定形特征，因为固有缺陷的无定形结构不受通常伴随重复转换/再转换反应的潜在结构无序化的影响。此外，原始a-LiFeSO₄F相和放电产物的非晶性质提供了富含空位的环境，其中金属离子(Fe²⁺)迁移穿过体相/界面变得比晶相更容易，从而促进转化反应电极动力学。本文成功展示了包含插层和转化反应的高度可逆的多机制锂化过程，这意味着在各种非晶插层型材料中可以更普遍地实现高容量特性。在这个方向上的进一步研究将为实现以低成本实现锂离子电池高容量的挑战提供新的机会，从而打破传统插层型材料的容量上限。

Fig. 1 | Characterization of a-LiFeSO₄F.

Fig. 2 | Redox activity of a-LiFeSO₄F and polymorphs (tavorite and triplite).

Fig. 3 | Ex situ analysis for investigation of mechanism.

Fig. 4 | Electrochemical performance of a-LiFeSO₄F.

【文献信息】

Heo, J., Jung, SK., Hwang, I. et al. Amorphous iron fluorosulfate as a high-capacity cathode utilizing combined intercalation and conversion reactions with unexpectedly high reversibility. Nat Energy (2022).

https://doi.org/10.1038/s41560-022-01148-w

南京工业黄维院士/陈永华教授再发Nature

2022-11-10