開發能量密度高、安全性能好的鋰金屬電池體系具有重要意義。相比于傳統嵌入反應型電池，鋰-氟化鐵轉換反應型電池在質量和體積能量密度上有著2-3倍的優勢（如Li-FeF₃的850 Wh/kg，相比于Li-LiCoO₂的350 Wh/kg），可以滿足下一代移動電源對超長續航能力和便攜性的要求。然而，該電池體系通常會遭受正極轉換產物的失活和溶解，導致氟損失和容量快速下降等問題。鋰-氟化鐵體系的固態電池構架可以增強對轉換產物的體積壓實和空間限域效應，抑制它們擠出（或溶解）到電解質中，有望改善氟化物電池的循環穩定性。聚氧化乙烯（PEO）基聚合物電解質可提供與氟化鐵正極的軟質界面接觸，增強電極-電解質界面的柔韌性和融合度，可進一步提高Li-Fe-F轉換固態電池的綜合性能。但是其低的機械強度無法抑制鋰金屬負極的形變，其軟質界面也可能包埋來自正極端的含F反應產物，因此正極F元素損失和容量衰減的現象仍然存在。 

　　針對上述問題，中國科學院上海硅酸鹽研究所李馳麟研究員帶領的團隊提出對聚合物電解質和轉換反應正極的雙重氟化策略，率先構建出大尺寸軟包構型的固態鋰-氟化鐵電池，獲得了高達500-600 mAh/g的可逆容量，其正極能量密度可達1308 Wh/kg。相關成果以“Dual fluorination of polymer electrolyte and conversion-type cathode for high-capacity all-solid-state lithium metal batteries”為題發表于Nature Communications 2022, 13: 7914。 

　　該工作開發了一種溶膠-凝膠的氟化方案，合成了介孔結構的AlF₃精細納米顆粒，提出強路易斯酸性的AlF₃介孔骨架氟化交聯PEO的策略，制備得到了超?。?/span>25-45微米）氟化增強的固態電解質膜，其具有波紋狀的獨特表面形貌。精細介孔粒子在PEO中的溶解性為正極-電解質界面提供了充足的F源，消除了正極端活性物質F損失和不可逆遷移的不利影響。該策略也加強了負極界面的機械性能和形變抑制能力，AlF₃表面促進了對LiTFSI鹽解離和陰離子吸附的作用，提高了氟化復合電解質的鋰離子導電率和遷移數（高達0.67）。氟化增強使得聚合物電解質與金屬鋰接觸的界面極為穩定，有益調節了鋰負極表面的固體電解質界面（SEI）組分，誘發了具有優良導電性的Li₂O的富集，同時削弱了Li₂CO₃鈍化組分，抑制了界面鈍化?；诜娊赓|的鋰金屬對稱電池在長期老化和循環過程中均表現出非常小的界面電阻和過電位（在0.1、0.2和0.4 mA/cm²時分別為25、50和75 mV）?；谠摬呗?，研制出氟化增強型的全固態Li-FeF₃電池，AlF₃粒子在正極界面處的融入可以提供額外的 F 源來補償FeF₃正極反應過程中的 F 損失，從而實現更好的轉換反應可逆性。受益于轉換反應中高的贗電容貢獻和鋰擴散系數，界面氟化改性的Li-FeF₃電池展現出優異的倍率性能（3.5 A/g時容量260 mAh/g）和超長的循環能力（700 mA/g時循環至少900次），其軟包體系可在超薄電解質膜條件下可逆循環200次以上。 

　　李馳麟研究員團隊長期致力于提升鋰金屬電池的能量密度和安全性，尤其在氟基（固態）電池領域取得了系列創新成果，前期工作提出了氟基固態電池和氟系固態電解質的構筑和設計方向（Nat. Commun. 11, 3716, 2020; ACS Energy Lett. 5, 1167-1176, 2020; Mater. Today 61, 65-77, 2022；Adv. Funct. Mater. 2208013, 2022; Energy Storage Mater. 47, 551-560, 2022; Sci. Bull. 66, 694-707, 2021; Energy Storage Mater. 41, 436-447, 2021; Energy Storage Mater. 28, 37-46, 2020; Energy Storage Mater. 31, 87-94, 2020），以及正負極界面的氟化通道調控策略 (Science Advances 7, eabj1491, 2021；Energy Environ. Sci. 14, 3621-3631, 2021)。 

　　論文第一作者是上海硅酸鹽所胡九林助理研究員，相關研究得到了國家自然科學基金委和上海市科委等項目的資助和支持。 

　　  

　　附文章鏈接： 

　　https://doi.org/10.1038/s41467-022-35636-0 

氟化PEO聚合物固態電解質的結構示意圖

鋰沉積-剝離循環過程中的負極-電解質界面穩定性、形貌和組分演化

氟化增強的Li||FeF₃和Li||LiFePO₄固態電池的電化學性能

Li||FeF₃固態電池的動力學性能和循環后正極側的表面組分