新型卤素转换插层化学打造高能锂离子水系电池

据外媒报道，马里兰大学的一组研究人员首次在石墨中引入卤素转换插层化学，创新研发复合电极，容量为243 mAh／g（就电极总重量而言） ，平均电位为4．2 V， vs Li／Li＋。团队人员将这一阴极与钝化石墨阳极相结合，打造出能达到4V的锂离子水系全电池，能量密度为460 Wh／kg，库仑效率约为100％。

越来越多的研究人员开始使用“water－in－salt”电解质，能极大扩展水溶液锂离子电池的电化学窗口，达到3－4伏特，使高压阴极与低电位石墨阳极耦合成为可能。然而，由于典型过渡金属氧化物阴极的锂插入能力有限，小于200 mA h／g，无法获得更高能量密度。部分或全部阴离子的氧化还原反应，可以让容量升高，但不具备可逆性。

该电池基于负离子转换－插层机制，结合高能量密度的转换反应，具有插层的优良可逆性，提高水系电池的安全性。新的阴极化学方法具有转化反应的高能量，以及拓扑定向插入的优良可逆性，因而被称为转化－插层化学机制。通过石墨中卤素阴离子（Br?和Cl?）的氧化还原反应，将无水LiBr、LiCl与石墨按最佳质量比为2：1：2混合，合成一种含有等摩尔卤化锂盐（LiBr）0．5（LiCl）0．5－石墨（以下简称LBC－G）的复合电极。其中，高浓度的“water－in－bisalt ”（WIBS）电解质，将部分水合LiBr／LiCl限制在固体阴极基体中。经过氧化后，Br0和Cl0序贯插入石墨基质中，作为固体石墨插层化合物（GICs）稳定下来。

这种电池从根本上不同于“双离子”电池。双离子电池将复杂阴离子（PF6?、BF4?和TFSI?等），在低填充密度下，可逆性插入到石墨中，这些稳定的阴离子不发生氧化还原反应，导致容量低于120mAh／g。LBC－G全电池的能量密度约为460 Wh／kg，超过最先进的非水液态锂离子电池。考虑到电解质质量后，其能量密度仍能达到304 Wh／kg。