多電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)是設(shè)計(jì)高能量密度電池的重要途徑，而轉(zhuǎn)換型氟離子電池依托正極多價(jià)金屬氟化物的多電子反應(yīng)及其高的反應(yīng)電位，理論上可實(shí)現(xiàn)超高的體積能量密度。對(duì)于液態(tài)電解質(zhì)的氟離子電池，根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，其基于特定電極配置的電池堆模型能實(shí)現(xiàn)588Wh/kg（1393Wh/L）的能量密度，同時(shí)由于氟的天然儲(chǔ)量豐富，該電池堆單位能量密度的成本可低至20$/kWh。然而，氟離子電池的理論能量密度優(yōu)勢(shì)在實(shí)驗(yàn)上迄今仍未實(shí)現(xiàn)，尤其是在低溫（<100℃）甚至室溫條件下，主要原因之一是缺乏相應(yīng)溫度下具有高離子傳輸性能和電化學(xué)穩(wěn)定性的電解質(zhì)。液態(tài)電解質(zhì)雖然室溫離子電導(dǎo)率相對(duì)固態(tài)電解質(zhì)更高，且對(duì)電極的潤濕性更好，但其面臨的主要挑戰(zhàn)是陽離子與氟離子之間的強(qiáng)晶格能易導(dǎo)致氟鹽在常規(guī)非質(zhì)子溶劑中難以被溶劑化甚至不溶。而陰離子受體（AA）通過路易斯酸堿作用絡(luò)合氟離子可一定程度削弱氟鹽晶格能，促進(jìn)氟鹽解離溶劑化。但是常規(guī)的硼基AA由于硼的強(qiáng)路易斯酸性，雖可有效促進(jìn)氟鹽溶解，但也使氟離子難以脫溶劑化以參與電極反應(yīng)，從而導(dǎo)致氟離子電池的電化學(xué)性能差（如循環(huán)穩(wěn)定性、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等）。

針對(duì)上述問題，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員李馳麟帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種基于非硼基陰離子受體（6-Thioguanine，TG）和砜類溶劑的室溫氟離子電池電解液，其室溫離子電導(dǎo)率可高達(dá)2.40mS/cm，在非水氟離子電解質(zhì)中處于最高水平。通過調(diào)控氟鹽濃度可優(yōu)化正極電解質(zhì)界面層（CEI）的導(dǎo)氟性能，并抑制活性物質(zhì)的不可逆損失，從而使對(duì)應(yīng)氟離子電池可實(shí)現(xiàn)室溫下的可逆循環(huán)。相關(guān)研究成果以Room-temperature reversible F-ion batteries based on sulfone electrolytes with a mild anion acceptor additive為題發(fā)表在《材料視野》（Materials Horizons）上。

該工作首先制備了室溫下不同氟鹽濃度的電解液。通過對(duì)不同電解液的核磁共振譜和紅外光譜分析，證實(shí)了TG分子對(duì)氟鹽在非質(zhì)子溶劑二甲基亞砜（DMSO）溶解的促進(jìn)作用；進(jìn)而發(fā)現(xiàn)代表TG分子氫鍵鏈的寬峰發(fā)生窄化和藍(lán)移現(xiàn)象，結(jié)合吸附作用計(jì)算，表明TG分子咪唑環(huán)上-NH-的氫是TG對(duì)氟離子的作用位點(diǎn)，而這種作用相對(duì)于硼基AA對(duì)氟的吸附作用更弱，更有利于氟離子的遷移和脫溶劑化。基于該系列電解液，同時(shí)以CuF₂和Pb分別為正負(fù)極組裝的室溫氟離子全電池，在50mA/g電流密度下，初始放電容量最高可達(dá)381mA h/g，循環(huán)40次后仍有126mA h/g的可逆容量，極化電壓可低至0.36V。進(jìn)一步對(duì)正負(fù)極的物相演變進(jìn)行表征，研究人員發(fā)現(xiàn)放電過程中正極發(fā)生脫氟反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生氟化反應(yīng)，表示為CuF₂(正極)+Pb(負(fù)極)→Cu+PbF₂，充電過程則相反，表示為Cu(正極)+PbF₂(負(fù)極)→CuF₂+Pb。

然而，離子電導(dǎo)率最高的電解液配方并非氟離子電池性能最佳的配方，這表明由不同配方電解液衍生的界面層性質(zhì)也是影響氟離子電池性能的重要因素。通過對(duì)CEI的成分分析，研究發(fā)現(xiàn)電池性能最優(yōu)的電解液（CTD3）由于其適當(dāng)?shù)母啕}濃度，增強(qiáng)了電解液的電化學(xué)穩(wěn)定性，減少了電解液中硫元素深度還原成S^2-，避免了S^2-對(duì)Cu²⁺/Pb²⁺的捕獲，減少了活性物質(zhì)的損失；同時(shí)CTD3的CEI中含有更多導(dǎo)氟相（PbF₂)，增強(qiáng)了界面的氟離子傳輸能力，從而提高了電池的可逆性和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。這項(xiàng)工作為可充氟離子電池的電解質(zhì)設(shè)計(jì)提供了新的種類和配方，并揭示了衍生電極-電解質(zhì)界面特性對(duì)氟離子電池性能的重要影響。

相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等的支持。

砜類電解液的制備及結(jié)構(gòu)表征

電解液的紅外光譜特征和組分交互作用

電解液離子電導(dǎo)率及對(duì)應(yīng)氟離子電池性能

Pb負(fù)極和CuF₂正極的循環(huán)物相演變

正極電解質(zhì)界面層CEI的成分演變