高功率密度鋰/氟化石墨一次電池研究獲進展
BF3氣體添加劑對放電前后正極極片的形貌和結(jié)晶性影響
鋰/氟化石墨一次電池是目前能量密度最高的一次電池，在電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械、國防軍工等領域具有廣泛的應用。
近日，《儲能材料》刊發(fā)中國科學院物理研究所與北京凝聚態(tài)物理國家研究中心懷柔研究部李泉、清潔能源實驗室E01組博士生薛巍然成果論文。他們在研究員李泓和禹習謙的指導下，開發(fā)了一種三氟化硼氣體（BF3）電解液添加劑，使得鋰/氟化石墨一次電池的倍率性能得到了大幅提升。這種氣體添加劑可以與高氟化程度的氟化石墨相匹配，在有效提升電池倍率性能的同時保持較高的能量密度。
研究團隊首先利用電化學阻抗和循環(huán)伏安法，對加入BF3氣體添加劑與未加入添加劑的鋰/氟化石墨一次電池的反應動力學進行表征，結(jié)果顯示使用含BF3電解液的鋰/氟化石墨一次電池電荷轉(zhuǎn)移阻抗大大降低，反應動力學得到明顯改善。
對放電后氟化石墨正極極片進行掃描電子顯微鏡和X射線衍射表征，發(fā)現(xiàn)氟化石墨在放電后發(fā)生顆粒破碎，而使用含BF3電解液的正極顆粒破碎程度更深，且代表著未反應氟化石墨（001）晶面的衍射峰完全消失，表明加入BF3添加劑后，有更多的活性物質(zhì)能夠參與放電反應。
進一步利用X射線光電子能譜，發(fā)現(xiàn)相比于對照組，使用含BF3電解液的放電態(tài)正極（放電倍率為5C）表面和體相都檢測到更多的LiF，表明BF3添加劑能夠有效提升高電流密度下氟化石墨體相容量的利用率。此外，對使用不含硼元素鋰鹽電池體系的正極表面進行元素分析，發(fā)現(xiàn)使用添加BF3電解液的正極表面含有BF4-離子。
基于以上發(fā)現(xiàn)，研究團隊提出BF3電解液添加劑的作用機理：在放電過程中，BF3可以與沉積在氟化石墨正極表面的LiF發(fā)生化學反應，生成可溶于電解液的LiBF4，降低了鋰離子進入正極材料內(nèi)部的阻力，從而提升電池的倍率性能。
鋰/氟化石墨一次電池的能量密度與正極氟化石墨材料的氟化程度密切相關，氟化程度越高，電池的能量密度越大。但是，氟化程度的增加會導致氟化石墨正極材料電子導電性能變差。
與此同時，電池放電產(chǎn)物氟化鋰容易沉積在氟化石墨顆粒端面，阻礙了鋰離子進一步向正極材料內(nèi)部擴散和放電反應的進一步進行。因此，盡管鋰/氟化石墨一次電池具有極高的理論質(zhì)量能量密度，其倍率性能不佳，嚴重限制了其在高功率器件中的應用。
通常，研究人員利用導電層包覆、材料納米化、降低氟化程度等手段對氟化石墨正極材料進行改性，以提升鋰/氟化石墨一次電池的功率特性。但是這些對正極材料進行改性的方法不僅較為繁瑣，且一定程度上犧牲了電池的能量密度。因此，開發(fā)工藝更為簡單、不影響能量密度且能夠有效提升鋰/氟化石墨一次電池功率特性的方法是十分必要的。
該工作創(chuàng)新地使用BF3作為電解液添加劑，在提升鋰/氟化石墨一次電池倍率性能的同時保持了其高能量密度的特點。此外，相比于傳統(tǒng)方法對氟化石墨正極材料進行改性，使用電解液添加劑是一種更簡單且與工業(yè)化生產(chǎn)流程更兼容的方法，因而更具實用化價值。
該工作提出的利用三氟化硼氣體電解液添加劑提升電池倍率性能的思路對于其他電池體系性能的優(yōu)化同樣具有借鑒意義。相關工作得到了基金委優(yōu)秀青年基金和聯(lián)合基金重點項目的支持。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.03.024
