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2022年6月，中國科協發布2022重大科學問題、工程技術難題和產業技術問題，其中“ 如何實現全固態鋰金屬電池的工程化應用？”位列10個對工程技術創新具有關鍵作用的工程技術難題之一。鋰金屬電池技術是一項工程突破，將有利于改善電池性能，增強電池的電量持久力。因此，開發能量密度高、安全性能好的鋰金屬電池體系具有重要意義。

相比于傳統嵌入反應型電池，鋰-氟化鐵轉換反應型電池在質量和體積能量密度上具有2-3倍的優勢，可以滿足下一代移動電源對超長續航能力和便攜性的要求。然而，該電池體系通常會遭受正極轉換產物的失活和溶解，導致氟損失和容量快速下降等問題。鋰-氟化鐵體系的固態電池構架可以增強對轉換產物的體積壓實和空間限域效應，抑制它們擠出(或溶解)到電解質中，有望改善氟化物電池的循環穩定性。聚氧化乙烯(PEO)基聚合物電解質可提供與氟化鐵正極的軟質界面接觸，增強電極-電解質界面的柔韌性和融合度，可進一步提高Li-Fe-F轉換固態電池的綜合性能，但其低的機械強度無法抑制鋰金屬負極的形變，其軟質界面也可能包埋來自正極端的含F反應產物，因而正極F元素損失和容量衰減的現象仍然存在。

中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟帶領的團隊，提出了對聚合物電解質和轉換反應正極的雙重氟化策略，率先構建出大尺寸軟包構型的固態鋰-氟化鐵電池，獲得了高達500-600 mAh/g的可逆容量(正極能量密度可達1308 Wh/kg)。科研人員研制出氟化增強型的全固態Li-FeF3電池。AlF3粒子在正極界面處的融入可以提供額外的F源來補償FeF3正極反應過程中的F損失，從而實現更好的轉換反應可逆性。受益于轉換反應中高的贗電容貢獻和鋰擴散系數，界面氟化改性的Li-FeF3電池展現出優異的倍率性能(3.5 A/g時容量260 mAh/g)和超長的循環能力(700 mA/g時循環至少900次)，其軟包體系可在超薄電解質膜條件下可逆循環200次以上。

相關論文Dual fluorination of polymer electrolyte and conversion-type cathode for high-capacity all-solid-state lithium metal batteries于近日發表在《自然-通訊》(Nature Communications)。

來源： 中科院上海硅酸鹽研究所

關鍵詞： 金屬電池 上海硅酸鹽 工程技術