基于CoFe层状双金属氢氧化物构筑高性能氯离子电池

二次电池作为一种电化学储能器件,在便携式电子产品及新能源汽车等领域发挥着重要作用。目前研究热点主要集中在以轻质金属阳离子,如Li+、Na+、K+、Mg2+等为传输离子的电化学体系上,尤其以Li+离子电池体系发展最为成熟。近年来,研究者开发了一种基于阴离子(如F、Cl)的穿梭实现能量存储的二次电池体系,这是由于这些阴离子的高电负性和适当的离子半径可以促进质量传递并提供宽的电化学稳定窗口。此外,氯离子电池还具有高达2500 Wh/L的理论体积能量密度,与Li-S电池相当。但是,在氯离子电池正极材料的开发方面还存在很多问题,如:较低的实际容量、电极材料在电解液中的溶解、充放电过程伴随着较大的体积膨胀等。因此,开发性能优异的新型正极材料是氯离子电池发展的关键。

层状双金属氢氧化物(英文缩写为LDH,又称水滑石类化合物)是少数阴离子型插层结构材料之一,具有层间阴离子可交换、层板金属可变价、层状结构稳定等特点。此外,近年来研究者发现LDH的层间二维离子通道具有很高的阴离子传导率,其ab面内的离子电导率可达102 S/cm,可作为一种高性能的离子导体。LDH的以上特征使其有望应用于氯离子电池的电极材料。

北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室韩景宾教授、卫敏教授课题组与周继升教授开展合作,首次利用Cl插层CoFe-LDH作为正极材料、金属锂箔做负极、离子液体做电解液,制备了氯离子二次电池。该电池表现出优异的能量储存性能:首次放电容量为239.3 mAh g−1,在循环100次后,可逆容量稳定在~160 mAh g−1。利用XAFS、XPS、STEM-EELS等表征手段,证明了该电池的储能机理为LDH层间氯离子的嵌入/脱出,伴随着层板上Co和Fe发生可逆的氧化还原反应。该过程具有离子储存容量高、可逆性好、体积变化小等特点(约3%)。理论计算表明LDH是一种优良的Cl离子传导体,Cl离子在LDH层间具有很低的扩散能垒(0.12−0.25 eV)。由于该类电池中能量存储是基于Cl离子在正负极之间的穿梭,因此避免了金属枝晶的生成,具有较高的安全性。此外,考虑到含氯正极材料的来源十分广泛,海水、矿产、盐湖等均含有丰富的氯资源,该类电池在大规模、低成本储能领域具有广阔的应用前景。

相关研究结果近期发表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201900983),论文第一作者为北京化工大学博士生尹青。本工作得到了北京科技大学林鲲博士、中国科学院高能物理研究所郑黎荣博士的大力支持和帮助。