鋰/氟化石墨一次電池
是目前能量密度最高的一次電池，在電子產品、醫療器械、國防軍工等領域具有廣泛的應用。鋰/氟化石墨一次電池的
能量密度
與正極氟化石墨材料的氟化程度密切相關，氟化程度越高，電池的能量密度越大。但是，氟化程度的增加會導致氟化石墨正極材料電子導電效能變差。與此同時，電池放電產物氟化鋰容易沉積在氟化石墨顆粒端面，阻礙了鋰離子進一步向正極材料內部擴散和放電反應的進一步進行。因此，儘管鋰/氟化石墨一次電池具有極高的理論質量能量密度，其倍率效能不佳，嚴重限制了其在高功率器件中的應用。通常研究人員利用導電層包覆、材料奈米化、降低氟化程度等手段對氟化石墨正極材料進行改性，以提升鋰/氟化石墨一次電池的功率特性。但是這些對正極材料進行改性的方法不僅較為繁瑣，且一定程度上犧牲了電池的能量密度。因此，開發工藝更為簡單、不影響能量密度且能夠有效提升鋰/氟化石墨一次電池功率特性的方法是十分必要的。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心懷柔研究部李泉博士、清潔能源實驗室E01組博士生薛巍然，在李泓研究員和禹習謙研究員的指導下，開發了一種三氟化硼氣體（BF3）電解液新增劑，使得鋰/氟化石墨一次電池的倍率效能得到了大幅提升（圖1）。這種氣體新增劑可以與高氟化程度的氟化石墨相匹配，在有效提升電池倍率效能的同時保持較高的能量密度。該研究結果近日發表在Energy Storage Materials上（2021，DOI： 10。1016/j。ensm。2021。03。024），文章題為Gaseous electrolyte additive BF3 for high-power Li/CFx primary batteries。
圖1 加入BF3氣體新增劑與未加入新增劑的鋰/氟化石墨一次電池倍率效能和電化學阻抗對比
研究團隊首先利用電化學阻抗和迴圈伏安法，對加入BF3氣體新增劑與未加入新增劑的鋰/氟化石墨一次電池的反應動力學進行表徵，結果顯示使用含BF3電解液的鋰/氟化石墨一次電池電荷轉移阻抗大大降低，反應動力學得到明顯改善。對放電後氟化石墨正極極片進行掃描電子顯微鏡和X射線衍射表徵，發現氟化石墨在放電後發生顆粒破碎，而使用含BF3電解液的正極顆粒破碎程度更深，且代表著未反應氟化石墨（001）晶面的衍射峰完全消失，表明加入BF3新增劑後，有更多的活性物質能夠參與放電反應（圖2）。
圖2 放電前和放電後正極極片的掃描電子顯微圖和X射線衍射譜，使用含BF3電解液的正極顆粒在放電後破碎程度更大，且代表著未反應氟化石墨（001）晶面的衍射峰完全消失
進一步利用X射線光電子能譜，發現相比於對照組，使用含BF3電解液的放電態正極（放電倍率為5C）表面和體相都檢測到更多的LiF（圖3），表明BF3新增劑能夠有效提升高電流密度下氟化石墨體相容量的利用率。
圖3 放電態正極極片的X射線光電子能譜（帶深度刻蝕）
此外，對使用不含硼元素鋰鹽電池體系的正極表面進行元素分析，發現使用新增BF3電解液的正極表面含有BF4-離子。基於以上發現，研究團隊提出BF3電解液新增劑的作用機理：在放電過程中，BF3可以與沉積在氟化石墨正極表面的LiF發生化學反應，生成可溶於電解液的LiBF4，降低了鋰離子進入正極材料內部的阻力，從而提升電池的倍率效能（圖4）。
圖4 電解液中加入BF3氣體新增劑改善鋰/氟化石墨一次電池倍率效能的作用機理示意圖
編輯：
jita