吴飞翔课题组：高比能金属氟化铁-锂电池的最新研究成果

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中南大学冶金与环境学院特聘教授吴飞翔与中国科学技术大学余彦教授联合在材料领域国际顶级期刊《Advanced Materials》发表了关于高比能金属氟化铁-锂电池的最新研究成果，题为“3D Honeycomb Architecture Enables a High-Rate and Long-Life Iron (III) Fluoride–Lithium Battery”的研究论文（inside封面论文）。吴飞翔教授为第一作者兼通讯作者，中南大学为第一作者和通讯作者单位，余彦教授为共同通讯作者。

       有色金属氟化物-锂电池在体积和质量能量密度上都具有明显优势，其中未来具有代表性的CuF2-Li和FeF3-Li电池的能量密度是目前基于商业化嵌入型正极材料的锂离子电池的2-3倍。此外，与Ni和Co比较，Fe和Cu元素丰度较高、价格和毒性较低，更适合大规模使用。然而，金属氟化物正极材料存在电子导电性差、电化学反应可逆性差、极化大和活性物质溶解流失等问题，从而导致该类电池电化学性能差、库伦效率低，难以利用。另外，有色金属氟化物在高温下不稳定，因此很难合成出纯度高、晶形良好，且具有特定形貌的金属氟化物复合材料。
       本项工作开发出了溶胶凝胶-高温发泡碳化-低温气相氟化技术，实现了三维蜂窝结构金属氟化铁-碳复合材料的可控制备。研究发现三维蜂窝碳骨架加快了金属氟化物电极内部电子和离子传输，防止了活性材料的溶解，稳定了电化学反应界面。FeF3@C复合材料正极在2.2和5.3 mg cm−2高活性材料负载条件下仍展现出优越的电化学性能，充放电倍率高达100C，不同充放电倍率下1000次循环的容量保持率为85%。相关研究得到了国家青年海外人才项目、中南大学创新驱动计划项目的支持。
        吴飞翔教授致力于材料冶金、高比能电池材料及其电解液的应用基础研究。此前（今年5月）在材料领域国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（影响因子15.621，JCR一区，自然指数期刊）上发表了关于高比能锂-硫电池的相关研究成果（第一作者，中南大学为第二单位），报道了廉价的天然粘土矿物-蛭石(Vermiculite)可直接作为高性能锂-硫电池限硫载体，其双电层效应能够有效抑制多硫化锂的溶解与穿梭效应。


        三氟化铁这类复合物通常会通过更为复杂的转化反应(conversion reaction)传输多个电子。尽管FeF3的电势可提升阴极的容量，该复合物在锂离子电池中的历史表现并不算好，因为转化反应存在三大类问题：能效低(滞后现象，hysteresis)、反应速率低、副反应(side reactions)或导致锂电池使用寿命缩短。为克服这类技术挑战，研究团队利用化学品置换(chemical substitution)工艺向FeF3纳米棒(nanorods)加入了钴院子及氧原子，使得科研人员能操控反应途径(reaction pathway)并实现可逆反应。


        吴飞翔，男，1987年出生于安徽。中南大学教授，博士生导师，入选国家青年海外高层次人才，德国“洪堡学者”。长期开展材料冶金和新能源材料的应用基础研究。研究方向主要为矿物及其二次资源的材料化冶金、锂/钠离子电池、锂-硫电池、功能电解液及全固态电解质的开发等。已在Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Advanced Functional Materials, Advanced Energy Materials, ACS Nano, Materials Today, Nano Energy, Journal of Materials Chemistry A等国际顶级期刊上发表学术论文五十多篇。授权中国发明专利4项和美国发明专利1项，申请德国发明专利1项。


       余彦，中组部首批“青年##”入选者。研究兴趣功能材料的电化学制备、化学储能及相关电化学基础研究。主要研究方向为一维纳米材料的可控制备及应用、高性能锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等关键电极材料的设计、合成及储能机制。已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater. Nano Lett.等国际重要学术刊物上发表SCI论文60余篇，被他人共引用2000余次。其研究主要包括功能材料的电化学制备、化学储能及相关的电化学基础，尤其在高性能锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等关键电极材料的设计合成、储能机制及提高性能等方面进行了深入探索，找出了优化及适应性的调控和解决途径。通过特殊纳微结构设计，部分解决了纳米储锂电极材料的体积膨胀效应问题，大幅提高了电极材料的容量、循环次数和倍率性能。迄今为止，先后获得了3项国际专利，2项中国专利。