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 Gaseous electrolyte additive BF3 for high-power Li/CFx primary batteries 为题，发表在 Energy Storage Materials 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。

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