中科院物理所在高功率密度锂氟化石墨一次电池研究中取得进展

　　IT之家5月9日消息据中国科学院网站，中国科学院物理研究所开发出一种三氟化硼气体（BF3）电解液添加剂，使锂氟化石墨一次电池的倍率性能得到大幅提升（图1）。这种气体添加剂可与高氟化程度的氟化石墨相匹配，在有效提升电池倍率性能的同时保持较高的能量密度。
　　图1。加入BF3气体添加剂与未加入添加剂的锂氟化石墨一次电池倍率性能和电化学阻抗对比图自中国科学院网站，下同
　　IT之家了解到，相关研究成果以GaseouselectrolyteadditiveBF3forhighpowerLiCFxprimarybatteries为题，发表在EnergyStorageMaterials上。
　　研究人员首先利用电化学阻抗和循环伏安法，对加入BF3气体添加剂与未加入添加剂的锂氟化石墨一次电池的反应动力学进行表征。结果显示，使用含BF3电解液的锂氟化石墨一次电池电荷转移阻抗大大降低，反应动力学得到明显改善。对放电后氟化石墨正极极片进行扫描电子显微镜和X射线衍射表征，发现氟化石墨在放电后发生颗粒破碎，而使用含BF3电解液的正极颗粒破碎程度更深，且代表未反应氟化石墨（001）晶面的衍射峰完全消失，表明加入BF3添加剂后，有更多的活性物质能够参与放电反应（图2）。研究人员进一步利用X射线光电子能谱，发现相比于对照组，使用含BF3电解液的放电态正极（放电倍率为5C）表面和体相均检测到更多的LiF（图3），表明BF3添加剂可有效提升高电流密度下氟化石墨体相容量的利用率。此外，对使用不含硼元素锂盐电池体系的正极表面进行元素分析，发现使用添加BF3电解液的正极表面含有BF4离子。基于以上发现，研究人员提出了BF3电解液添加剂的作用机理：在放电过程中，BF3可与沉积在氟化石墨正极表面的LiF发生化学反应，生成可溶于电解液的LiBF4，降低了锂离子进入正极材料内部的阻力，从而提升了电池的倍率性能（图4）。
　　图2。放电前和放电后正极极片的扫描电子显微图和X射线衍射谱，使用含BF3电解液的正极颗粒在放电后破碎程度更大，且代表未反应氟化石墨（001）晶面的衍射峰完全消失
　　图3。放电态正极极片的X射线光电子能谱（带深度刻蚀）
　　图4。电解液中加入BF3气体添加剂改善锂氟化石墨一次电池倍率性能的作用机理示意图
　　据介绍，该研究使用三氟化硼气体（BF3）作为电解液添加剂，在提升锂氟化石墨一次电池倍率性能的同时保持了其高能量密度的特点。此外，相比于传统方法对氟化石墨正极材料进行改性，使用电解液添加剂是一种更简单且与工业化生产流程更兼容的方法，因而，其更具实用化价值。