冷冻 TEM 研究无粘合剂高性能 FeF2 阴极

铁基氟化物（IBF，通常为 FeF₃ 和 FeF₂）由于其高比容量、成本效益和地壳丰富而成为潜在的下一代锂离子电池（LIB）高能量密度阴极^[1]。然而，IBF 会剧烈分解电解质，这阻碍了它们在 LIB 中的实际应用^[2,3]。在此，报告了一种将 FeF₂ 纳米颗粒嵌入互连的环状聚丙烯腈 (cPAN) 网络中以钝化阴极/电解质界面的策略。

此外，cPAN 对 FeF₂ 纳米颗粒和集流体具有很强的粘附力，本质上是优于聚偏二氟乙烯 (PVDF) 的粘合剂。冷冻透射电镜显示，非晶cPAN均匀包覆在FeF₂表面，厚度为5 nm，作为有效的（阴极电解液间相）CEI层，抑制过量CEI的生长，从而实现贫电解液中的稳定循环。当与高容量 SiO/C 阳极配对时，FeF₂-cPAN|SiO/C 全电池在 0.5C 下循环 100 次后容量为 400 mAh/g。密度泛函理论（DFT）计算表明cPAN对电解质呈惰性，从而抑制了FeF₂引起的灾难性电解质分解。

DFT进一步表明，碳表面空位的存在会引起溶剂的H转移反应，导致电解质的降解。这项研究提供了一种可行的技术，使基于 FeF₂ 阴极的高能量密度 LIB 能够用于储能应用。我们报告了一种策略，通过将 FeF₂ 纳米颗粒嵌入 cPAN 基质中，在贫电解液中实现高性能 FeF₂ 阴极。cPAN 工程 FeF₂ 阴极表面具有以下优点。cPAN 形成具有良好电子和离子导电性的网络，以 5 nm 的厚度涂覆在 FeF₂ 表面，为 FeF₂ 提供可行的电子/离子传输。Cryo-TEM结合DFT计算证明cPAN对醚基电解质呈惰性，从而防止了灾难性的电解质分解。cPAN 对 FeF₂ 和集流体具有很强的粘附力，基本上起到粘合剂的作用，从而防止活性材料脱落。由于cPAN具有导电性，因此减少了超级P等导电剂的使用，超级P会剧烈分解电解质。

通过优化SiO/C负极的预锂化策略，结合FeF₂-cPAN正极的优点，制备了FeF₂-cPAN| LiFSI/DME|SiO/C全电池表现出优异的循环稳定性、倍率性能和更高的可获得容量。这一结果使我们离转换型正极在高能量密度锂离子电池中的应用又近了一步。

[1] A.W. Sch¨ afer, S.R.H. Barrett, K. Doyme, L.M. Dray, A.R. Gnadt, R. Self,O’Sullivan, A.P. Synodinos, A.J. Torija, Technological, economic and environmental prospects of all-electric aircraft, Nat. Energy 4 (2019) 160–166,https://doi.org/10.1038/s41560-018-0294-x.

[2] B. Dunn, H. Kamath, J.-.M. Tarascon, Electrical energy storage for the grid: a battery of choices, Science 334 (2011) 928–935, https://doi.org/10.1126/science.1212741.

[3] V. Viswanathan, A.H. Epstein, Y.-M. Chiang, E. Takeuchi, M. Bradley, J. Langford,Winter, The challenges and opportunities of battery-powered flight, Nature 601 (2022) 519–525, https://doi.org/10.1038/s41586-021-04139-1.

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