先進正極材料的開發(fā)對于提高電池的能量密度和降低成本從而實現(xiàn)綠色能源轉(zhuǎn)型和零碳排放的目標至關(guān)重要。傳統(tǒng)的層狀過渡金屬氧化物（LMO2）正極已經(jīng)接近理論比容量的極限，并面臨著潛在的鈷和鎳資源的短缺。因此亟需開發(fā)具有高比容量和元素豐度的正極材料。鹵化物正極具有較高的反應(yīng)電位和理論比容量(LiCl: 632 mAh/g, LiBr: 308 mAh/g, LiI: 190 mAh/g)，因此有可能實現(xiàn)高的能量密度。然而，因為需要克服其高反應(yīng)活性的挑戰(zhàn)，鹵化物正極很少被研究。

【工作介紹】

近日，馬里蘭大學(xué)王春生教授研究團隊提出鹵化物正極的液化規(guī)則形成穩(wěn)定的石墨插層化合物，結(jié)合電解質(zhì)設(shè)計，使得鹵化物正極具有高可逆性。作為概念驗證，在室溫下實現(xiàn)可逆的LiCl-LiIgraphite、LiCl-LiBr-graphite和LiBr-graphite正極，以及在-30℃下可逆的LiCl-graphite正極。該研究成果以“Lithium halide cathodes for Li metal batteries”為題發(fā)表在期刊Joule上，論文通訊作者是王春生教授，第一作者是徐吉健、Travis P. Pollard和楊重寅。

【核心內(nèi)容】

作者提出，液化鹵素或鹵素間化合物以形成穩(wěn)定的石墨插層化合物是實現(xiàn)鹵化物正極高可逆性的先決條件。氣體或固體鹵素可以通過使用不同電負性的鹵素化合物或改變溫度來液化。舉例來說，固體I2和氣態(tài)Cl2不能單獨插層到石墨中，但液態(tài)ICl鹵間化合物可以可逆地共同插層到石墨中 （圖1）。此外，液態(tài)Br2可以插層到石墨中，并且由于石墨層間的強約束作用，將Cl限制在液態(tài)BrCl中，使BrCl共插層高度可逆。或者在-30℃下液化Cl2氣體也使Cl2-石墨插層反應(yīng)高度可逆。結(jié)合類離子液體的電解液設(shè)計使得鹵化物及其氧化產(chǎn)物在電解液中不溶（圖2），并進一步通過形成穩(wěn)定的CEI去阻止正極可能的溶出（圖5），從而實現(xiàn)穩(wěn)定的電化學(xué)性能（圖3，圖4）。

圖1. 基于轉(zhuǎn)換-插層反應(yīng)的鹵化物正極

圖2. 電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)和特性

圖3. 室溫電化學(xué)性能表征

圖4. 低溫電化學(xué)性能表征和軟包電池電化學(xué)性能

圖5. 正極CEI界面層的表征及其可能的形成路徑

【結(jié)論】

綜上所述，本文系統(tǒng)研究了系列鹵化物正極材料。通過液化插層形成穩(wěn)定的石墨插層化合物以及電解液的設(shè)計實現(xiàn)高度可逆的鹵化物正極。以LiCl-LiBr-graphite為例，其具有和傳統(tǒng)LiMO2型正極類似的輸出電壓，更高的比容量，因此更高的能量密度。鹵化物正極還具備低成本和高元素豐度等優(yōu)點，為無Co, 無Ni的高能量密度的正極提供了前所未有的機會。

審核編輯 ：李倩