盡管在鋰-硫（Li-S）紐扣電池層面，各種優(yōu)異的電催化劑/吸附劑作為硫正極材料取得了顯著進(jìn)展，但由于在低電解質(zhì)/硫（E/S）和負(fù)/正（N/P）比的條件下，厚硫正極的鋰離子傳輸效率低下，加劇了穿梭效應(yīng)和緩慢的氧化還原動(dòng)力學(xué)，實(shí)用Li-S 軟包電池的高能量密度（WG）仍然受到限制。

在此，中國地質(zhì)大學(xué)楊華明，中南大學(xué)唐愛東等人開發(fā)出了一種新型三元氟化物 MgAlF₅-2H₂O，它具有超快離子傳導(dǎo)-強(qiáng)多硫化物捕獲功能。MgAlF₅-2H₂O 具有反韋伯斯特型晶體框架，其中[AlF₆]-[MgF₄ (H₂O)₂]八面體單元分別沿[100]和[010]方向延伸形成二維鋰離子傳輸通道。

作為正極硫宿主，由 LiTFSI（鋰鹽鋰鹽電解液）鋰化的 MgAlF₅-2H₂O 可作為快速離子導(dǎo)體，確保在高 S 負(fù)載、低 E/S 和 N/P 條件下高效傳輸鋰離子，從而加速氧化還原動(dòng)力學(xué)。同時(shí)，強(qiáng)極性的 MgAlF₅-2H₂O 通過化學(xué)吸附作用捕獲多硫化物，從而抑制穿梭效應(yīng)。因此，1.97 A h 級Li-S 軟包電池的 WG 值高達(dá) 386 Wh kg^-1。

圖1. 電池性能

總之，該工作通過一步水熱法合成了一種新的三元氟化物 MgAlF₅-2H₂O。MgAlF₅-2H₂O 具有反韋伯斯特型晶體結(jié)構(gòu)，其中[AlF₆]-[MgF₄ (H₂O)₂]八面體單元分別沿[100]和[010]方向延伸形成二維鋰離子傳輸通道。基于 MgAlF₅-2H₂O 的離子導(dǎo)體在 25°C 時(shí)表現(xiàn)出 0.84 mS cm^-1 的高離子電導(dǎo)率，其中鋰離子的傳導(dǎo)路徑是沿著[MgF₄ (H₂O)₂]八面體的通道。

作為硫正極宿主，LiTFSI 鋰化的 MgAlF₅-2H₂O 是一種快速離子導(dǎo)體，可確保鋰離子在高 S 負(fù)載、低 E/S 和 N/P 條件下，確保鋰離子的高效傳輸，從而加速 Li₂S 氧化還原動(dòng)力學(xué)。同時(shí)，強(qiáng)極性 MgAlF₅-2H₂O 通過化學(xué)吸附作用捕獲鋰離子，從而抑制穿梭效應(yīng)。值得注意的是，1.97 A h 級Li-S 軟包電池在低 E/S 條件下可獲得 386 Wh kg^-1 的高 WG。

因此，該項(xiàng)研究提供了一種新型離子導(dǎo)體和一種可大規(guī)模生產(chǎn)的新型宿主材料，同時(shí)也為天然礦物在電池領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了新的前景。

圖2. 軟包電池的結(jié)構(gòu)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