鋰/鈉離子電池中鐵基氟化物正極材料的研究進展

朱樹豪,姚銳,肖承翔,朱浩杰,楊誠

（清華大學材料研究院, 清華大學深圳國際研究生院 , 深圳 518055）

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化石燃料一直以來對推動人類社會和工業的發展發揮著重要作用，但由于其自身不可再生，以及地球儲量有限和伴隨著的環境污染問題，一直以來是人類不得不面對的挑戰［1］。在尋求可再生能源的道路上，鋰離子電池應運而生，并在上個世紀九十年代率先實現商業化。鋰離子電池使用的正極往往是 具 有 層 狀 結 構（如LiMO2（M 為Co 和Ni）、LiNi1-x-yCoyAlxO2（NCA）、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2（NCM））及尖晶石結構（LiNixMn2-xO2（LNMO））和橄欖石結構（LiMPO4（M=Ni、Co、Mn、Fe））的材料［2］。縱觀近幾年快速商業化發展的鈉離子電池，其正極材料也大多采用嵌入型結構的O3 型和P2 型［3］材料，但無論是鈉離子還是鋰離子電池的嵌入型正極材料，他們的理論容量都低于300 mAh·g-1。然而，與正極材料匹配的負極材料，除了石墨負極（372 mAh·g-1）之外，還 有鋰金屬負 極（3 860 mAh·g-1）、硅負極（4200 mAh g-1）［4］和 鈉 金 屬 負 極（1 166 mAh·g-1）［5］等材料的理論容量均遠遠超過嵌入型正極，所以要從根本上實現高能量密度鋰/鈉離子電池在3C 產品（計算機、通信、消費類電子產品）中的應用突破，主要挑戰在于如何提升正極材料的電化學性能。

轉化型電極材料，如氧化物［6］、硫化物［7］、氟化物［8］，因為具有高的理論比容量而逐漸引起了研究人員的廣泛關注。通常這些轉化型材料都是通過以下電化學反應過程實現能量轉化。

放電過程：MaXb+zY++ze-→bYz/bXaM

充電過程：aM+bYz/bX→MaXb+zY++ze-

其中，M 代表過渡金屬元素、Y 代表鋰或者鈉、X 代表氧、硫或氟元素。該電化學反應是通過舊化學鍵的斷裂和新化學鍵的生成，實現能量存儲過程。……