先進正極材料的開發對于提高電池的能量密度和降低成本從而實現綠色能源轉型和零碳排放的目標至關重要。傳統的層狀過渡金屬氧化物（LMO2）正極已經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)，因此有可能實現高的能量密度。然而，因為需要克服其高反應活性的挑戰，鹵化物正極很少被研究。

【工作介紹】

近日，馬里蘭大學王春生教授研究團隊提出鹵化物正極的液化規則形成穩定的石墨插層化合物，結合電解質設計，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。

【核心內容】

作者提出，液化鹵素或鹵素間化合物以形成穩定的石墨插層化合物是實現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Cl2不能單獨插層到石墨中，但液態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BrCl中，使BrCl共插層高度可逆?；蛘咴?30℃下液化Cl2氣體也使Cl2-石墨插層反應高度可逆。結合類離子液體的電解液設計使得鹵化物及其氧化產物在電解液中不溶（圖2），并進一步通過形成穩定的CEI去阻止正極可能的溶出（圖5），從而實現穩定的電化學性能（圖3，圖4）。

圖1. 基于轉換-插層反應的鹵化物正極

圖2. 電解液的溶劑化結構和特性

圖3. 室溫電化學性能表征

圖4. 低溫電化學性能表征和軟包電池電化學性能

圖5. 正極CEI界面層的表征及其可能的形成路徑

【結論】

綜上所述，本文系統研究了系列鹵化物正極材料。通過液化插層形成穩定的石墨插層化合物以及電解液的設計實現高度可逆的鹵化物正極。以LiCl-LiBr-graphite為例，其具有和傳統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