基于卤化物固态电解质的层状卤化物正极材料

基于插层化学的可充电锂离子电池被认为可以满足对高能量密度动力系统日益增长的需求。插层正极材料的发现、设计和深入的基础理解在促进锂离子电池性能、安全性和循环稳定性方面的发展方面发挥了重要作用。从 1970 年代层状 TiS2 的研究开始，大多数具有开放框架的插层电极材料在锂离子电池中得到了充分的研究，并且层状氧化物（如 LiCoO2 ）等实现了商业应用。金属卤化物是非常有价值的锂离子电池电极材料。由于金属的多价性，金属卤化物的理论容量可高达数百 mAh g-1。此外，它们的锂化态 (LiaMXb) 具有较高锂离子电导率。然而，与氧化物和硫族化物相比，插层型金属卤化物的锂化/脱锂性能很少被研究。这主要是由于金属卤化物在有机电解液或者高温熔盐电解液中的具有较高的溶解性。因此，金属卤化物电解材料的开发高度依赖于具有很好兼容性的电解质体系。

近日，加拿大西安大略大学孙学良教授课题组基于相兼容的卤化物电解质，揭示了层状卤化物电极材料 VX3 (X = Cl, Br, I) 的锂化行为。层状 VX3 活性材料中的快速 Li+ 插入/脱出以及相容的电极-电解质设计保证的良好界面可实现全固态Li-VX3 电池的高倍率性能和循环稳定性。

  VX3 电极的锂化/脱锂电位与卤化物阴离子高度相关。层状 VCl3 具有常见的 BiI3 结构，其中 V3+ 占据六方密排 (hcp) 卤化物骨架的八面体孔。共享边的VX6八面体沿c方向以AB序列（O1型结构，R-3空间群）堆叠，层间范德华相互作用相对较弱。实验合成的完全锂化状态的LiVCl3 具有 O3 层状结构和 R-3m 空间群。理论上 VCl3 的锂化会导致堆叠序列从 O1 变为 O3，这类似于经典的层状氧化物（LixCoO2、LixNiO2 等）。 

  VCl3-Li3InCl6-C 正极展现出两个还原峰位于 2.96 V 和 2.78 V。两步嵌入反应对应于 VCl3 + Li+ + e- → LixVCl3，其中 x 是插入的锂离子与 VCl3 的摩尔比。

  X 射线吸收近边结构 (XANES) 光谱测试揭示了插层反应过程。在锂化过程中，VCl3正极的 O1 型层状结构在区域 1 过程中一直保持，随后在区域 2 过程中发生结构转变。然后 O3 层状结构出现并保持到完全锂化态。此外，VCl3-Li3InCl6-C 正极在卤化物电解质体系中展现出优异的倍率性能和循环稳定性。

  综上，该工作首次基于兼容的卤化物电解质将插层电化学扩展到层状卤化物电极材料体系，并进一步揭示了设计热力学稳定电解质/电极界面的重要性，这也有利于研究新型电极材料固有的锂化机制。相关研究成果发表在国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。梁剑文（国家“高层次青年人才项目”(2022年) 获得者，有研（广东）新材料技术研究院固态电池研究中心主任）、李晓娜（国家“高层次青年人才项目”(2022年) 获得者，深圳大学化学与环境工程学院特聘教授）为本文共同第一作者。  

审核编辑 ：李倩