加热绿矾晶体制备无水硫酸亚铁（一种无定形高容量氟硫酸铁阴极）

图片来源：Heo et al.

化学家和工程师一直在努力创造越来越高效、负担得起和稳定的电池技术，为各种电子设备供电。为此，他们一直在利用地球上高度丰富的材料的多氧化还原反应，如铁和锰，这可能有助于降低电池制造成本。

首尔国立大学的一组研究人员已经确定了a-LiFeSO4F，一种非晶态氟硫酸铁电极，可用于开发更实惠的高容量电池。该电极在Nature Energy的一篇论文中提出，专门用作阴极（即电池单元中带正电的电极，电子通过它进入电子设备）。

他们创造的氟硫酸铁阴极的灵感来自他们在以前的一项工作中引入的纳米复合材料，他们还阐明了其基础氧化还原机制和表面转化反应。这种材料由纳米级锂和过渡金属化合物组成。

“以前，我们正在研究从我们的纳米复合正极材料中获得额外容量的策略，”进行这项研究的研究人员之一Kisuk Kang告诉TechXplore。“由于材料的氧化还原机理类似于转化反应，并且通常通过高能球磨合成，我们能够更好地了解转化反应和机械化学合成。

该团队的新研究基于他们之前研究中收集的观察结果和发现。具体来说，他们过去的发现激发了他们探索纳米复合正极材料的转化反应与插层能力相结合的可能性，这将使他们能够释放其中过渡金属氧化物的独特能力。

“在这个概念的开发过程中，我们思考如何有效地增强插层/转换双型电极材料的可逆性，”Kang解释说。“我们得出的结论是，考虑到转化反应的性质，无定形结构可以帮助实现这一目标。

Kang和他的同事实现的阴极是由LiFeSO制成的。4F，但具有无定形（即非结晶）结构。这种材料可以使用机械化学工艺轻松合成，特别是通过氟化锂（LiF）和硫酸铁（FeSO4).

研究人员阴极的一个显着优点是它支持通过两个称为插层和转换的过程来可逆地插入和提取锂离子。这显着增加了其累积容量，从而可以提高电池寿命和性能。

“我们的研究揭示了非晶结构在实现双类型插层/转换电极材料的可逆性方面的新作用，”Kang说。“在无定形结构中可逆和同时利用插层和转化反应广泛适用于其他过渡金属化合物，从而扩大了高能密度正极材料的候选组。”

未来，这组研究人员引入的阴极可用于制造高容量和低成本的电池技术。此外，其潜在的化学过程也可以使用其他过渡金属化合物进行复制，这将为基于地球丰富材料的高性能阴极的制造开辟新的可能性。

“自从我们验证了我们的概念以来，我们一直在探索一个更广阔的成分空间，以确定其他可能的正极材料，”Kang补充道。“此外，我们正在研究与非晶结构合成相关的一般控制规则以及非晶化与插层能力之间的相关性。

更多信息：Heehoon Heo等人，非晶氟硫酸铁作为高容量阴极，利用插层和转化反应的组合，具有出乎意料的高可逆性，Nature Energy（2022）。DOI： 10.1038/s41560-022-01148-w

Sung-Kyun Jung等人，用于锂离子电池正极的无锂过渡金属一氧化碳，Nature Energy（2017）。DOI： 10.1038/nenergy.2016.208

期刊信息：自然能源