​地大杨华明/中南唐爱东AM：Palygorskite衍生三元氟化物实现高能量密度Li-S软包电池

尽管在锂-硫（Li-S）纽扣电池层面，各种优异的电催化剂/吸附剂作为硫正极材料取得了显著进展，但由于在低电解质/硫（E/S）和负/正（N/P）比的条件下，厚硫正极的锂离子传输效率低下，加剧了穿梭效应和缓慢的氧化还原动力学，实用Li-S 软包电池的高能量密度（WG）仍然受到限制。

在此，中国地质大学杨华明，中南大学唐爱东等人开发出了一种新型三元氟化物 MgAlF₅-2H₂O，它具有超快离子传导-强多硫化物捕获功能。MgAlF₅-2H₂O 具有反韦伯斯特型晶体框架，其中[AlF₆]-[MgF₄ (H₂O)₂]八面体单元分别沿[100]和[010]方向延伸形成二维锂离子传输通道。

作为正极硫宿主，由 LiTFSI（锂盐锂盐电解液）锂化的 MgAlF₅-2H₂O 可作为快速离子导体，确保在高 S 负载、低 E/S 和 N/P 条件下高效传输锂离子，从而加速氧化还原动力学。同时，强极性的 MgAlF₅-2H₂O 通过化学吸附作用捕获多硫化物，从而抑制穿梭效应。因此，1.97 A h 级Li-S 软包电池的 WG 值高达 386 Wh kg^-1。

图1. 电池性能

总之，该工作通过一步水热法合成了一种新的三元氟化物 MgAlF₅-2H₂O。MgAlF₅-2H₂O 具有反韦伯斯特型晶体结构，其中[AlF₆]-[MgF₄ (H₂O)₂]八面体单元分别沿[100]和[010]方向延伸形成二维锂离子传输通道。基于 MgAlF₅-2H₂O 的离子导体在 25°C 时表现出 0.84 mS cm^-1 的高离子电导率，其中锂离子的传导路径是沿着[MgF₄ (H₂O)₂]八面体的通道。

作为硫正极宿主，LiTFSI 锂化的 MgAlF₅-2H₂O 是一种快速离子导体，可确保锂离子在高 S 负载、低 E/S 和 N/P 条件下，确保锂离子的高效传输，从而加速 Li₂S 氧化还原动力学。同时，强极性 MgAlF₅-2H₂O 通过化学吸附作用捕获锂离子，从而抑制穿梭效应。值得注意的是，1.97 A h 级Li-S 软包电池在低 E/S 条件下可获得 386 Wh kg^-1 的高 WG。

因此，该项研究提供了一种新型离子导体和一种可大规模生产的新型宿主材料，同时也为天然矿物在电池领域的应用带来了新的前景。

图2. 软包电池的结构及性能

Palygorskite-Derived Ternary Fluoride with 2d Ion Transport Channels for Ampere Hour-scale Li-S Pouch Cell with High Energy Density Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202307651