康卫民教授、邓南平副教授AFM：金属卤化物在高性能锂可充电电池中的反应机理、设计原则和工程策略- 大数跨境

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康卫民教授、邓南平副教授AFM：金属卤化物在高性能锂可充电电池中的反应机理、设计原则和工程策略

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2025-08-12

导读：康卫民教授、邓南平副教授AFM：金属卤化物在高性能锂可充电电池中的反应机理、设计原则和工程策略

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文章信息

金属卤化物在高性能锂可充电电池中的反应机理、设计原则和工程策略

第一作者：张帆

通讯作者：康卫民*，邓南平*

单位：天津工业大学

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研究背景

锂电池(LBs)因其制造成本低和能量效率高的优势，在现有的储能技术中占据主导地位，其中锂离子电池(LIBs)已成功实现商业化并在众多领域得到广泛应用。然而，随着对高能量密度储能需求的日益增长，LIBs有限的能量密度阻碍了其进一步发展。采用锂金属作为负极，锂基盐作为正极的锂金属电池(LMBs)具有出色的理论容量，但由于热失控等安全问题严重阻碍了其商业化进程。近年来，以硫作为正极的锂硫电池(LSBs)以其超高理论能量密度(2600 Wh Kg^-1)和理论比容量(1675 mAh g^-1)，被视为是高能量密度二次电池系统的有力候选者。但由于硫正极的绝缘性和体积膨胀、多硫化锂的“穿梭效应”以及不受控制的锂枝晶生长等问题，LSBs也受到严重挑战。

图1. LIBs，LMBs以及LSBs的部分发展历程

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文章简介

近日，来自天津工业大学的康卫民教授和邓南平副教授在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Reaction Mechanisms, Design Principles, and Engineering Strategies of Metal Halides in High-Performance Lithium Rechargeable Batteries”的综述文章。该综述首先详细描述了MHs在LIBs、LMBs和LSBs中的反应机理，并指出了不同电池反应机理之间存在的联系。随后根据卤素元素对 MHs 进行了分类，系统总结了近期MHs在正极、负极和隔膜方面的进展和突破，包括金属氟化物（MFs）、氯化物（MCs）、溴化物（MBs）和碘化物（MIs），并探讨了其在高性能LBs中的设计原则和工程策略。最后还讨论了MHs的优势和局限性，在商业化进程中存在的挑战和机遇，并对未来的前景进行了展望，为广大科研人员研究高性能LBs提供了全新的视角。

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本文要点

要点一：金属卤化物在不同锂电池中的反应机理

对电池中各种反应机理的理解和深入分析对于提升电池性能具有重要意义。MHs 在不同类型的电池中具有相似的反应机制，例如MHs能够提升LIBs和 LMBs 的安全性和稳定性，改善LIBs和LSBs中的Li⁺运输动力学，抑制 LMBs 和 LSBs 中的锂枝晶生长。

图2. MHs在LBs中的反应机理汇总图

要点二：金属卤化物在不同锂电池中的设计原则和工程策略

通过对MHs在LBs正极，负极以及隔膜三方面的应用进行系统性综述，分别出MHs在不同LBs中的优势。

LIBs：(1) 在电池循环过程中，MHs通过与Li⁺的可逆转换反应实现多电子转移，从而显著提高容量；(2) MHs降低了Li⁺嵌入/脱嵌的活化能，并促进Li⁺的转移，从而加快Li⁺的传输动力学；(3) 由于其出色的热/化学稳定性，MHs通过卤化物离子与其他阳离子的相互作用形成坚固的界面层，保护LIBs的内部结构，防止出现电池短路等安全问题。

LMBs：(1) MHs中的X-可与锂离子反应生成 LiX，形成均匀的固体电解质界面(SEI)，引导均匀的锂沉积并抑制锂枝晶生长；(2) MHs通过在电池循环过程中减轻局部电流密度，抑制锂负极的巨大体积膨胀，从而显著延长电池寿命。

LSBs：(1)MHs能够通过其强极化表面和化学吸附能力与多硫化锂形成强化学键，从而有效固定多硫化锂，大大减少其溶解并抑制其穿梭效应；(2) MHs的催化活性降低了多硫化锂转化的活化能，从而加快了氧化还原动力学，提高了反应速率；(3) MHs晶格中的离子通道为Li⁺迁移提供了低能垒路径。优化的Li⁺传输路径和形成的极性界面能够增强Li⁺的扩散和电导率；(4) MHs能够有效调节Li⁺通量并提高电子隧穿势垒，从而稳定界面以抑制锂枝晶的形成。

图3. MHs在LBs中的发展历程图

要点三：对金属卤化物在锂电池中的应用前景的展望

MHs可调控的活性位点、强大的极性和卓越的稳定性可以为解决高性能LBs的关键挑战提供一些创新性的策略。尽管MHs具有广阔的发展前景，但在研究和实际应用中仍面临着一些严峻的挑战。为了使得应用MHs的高性能LBs实现商业化，仍需进一步的探索和实践。未来研究应当通过以下几个方面进行探究：

(1) 尽管 MHs 具有耐高温、促进Li⁺传输、化学吸附和催化等优点，但在任何单一领域，其他功能材料在某些方面更具优势。例如，导电聚合物通常具有出色的电导率和极强的吸附能力。然而，在催化性能方面，MHs相比纯导电聚合物更具优势。因此，将MHs与导电聚合物结合，有望实现高吸附和高催化性能的协同效应。此外，为解决MHs本征电导率低的问题，未来的研究可以重点研究一些新型层状MHs和MHs-碳/聚合物复合材料，使材料兼具高电导率和良好的结构稳定性。

(2) 开发具有柔韧性的MHs电极或隔膜材料，以适应诸如LIBs的硅基负极、高性能LMBs锂负极等的巨大体积变化。对于高载量硫正极的LSBs而言，缓解这些电极中发生的体积变化将变得更为重要。或者，通过探索MHs与电解液的协同效应，设计出兼具出色柔韧性和高离子电导率的复合界面层。

(3) 液态电池中存在的诸如热稳定性差等安全问题，无法从根本上得到解决。将固体电解质与如今备受关注的一些MHs相结合，能够改善机械性能和界面接触，并带来高安全性。未来，我们可以尝试将固态MHs电解质与之结合。因此，开发一种兼具高离子电导率和界面润湿性的复合电解质系统有望实现液态电池领域因安全问题难以获得的性能提升。

(4) 通过大规模计算流体动力学（CFD）和微尺度分子动力学模拟等模拟方法，并结合原位X射线吸收光谱（XAS）、球差校正透射电子显微镜（STEM）和密度泛函理论（DFT），可以进一步研究和分析微观结构。借助这些技术，我们将揭示MHs对Li⁺传输动力学的原子级机制，以及多硫化锂的催化途径和催化活性位点。我们还可以筛选、预测和验证新型MHs材料的结构和电化学性能。

(5) 除了性能要求外，材料的成本和毒性也是商业化过程中无法回避的关键问题。由于材料本身的稀缺性以及诸如氟化等生产过程的复杂性，尽管MHs具有出色的电池性能也无法得到广泛应用。尽管某些MHs本身的毒性相对较低，例如 FeF₃，但MHs的制备过程往往伴随着有毒物质的应用和产生。在MFs中，氟化过程常常会产生具有高度腐蚀性和毒性的HF气体，对人类健康构成重大威胁。目前，已经有一些研究使用无毒的氟化物钙钛矿作为改性材料。因此，材料本身的毒性以及在应用过程中是否会产生有毒物质，是未来探索新型实用材料的重要依据之一。基于上述方法，我们还可以应用高通量计算来开发原材料成本更低的金属硫化物，探索更简便无毒的制备工艺，并推动其快速产业化进程。

(6) 目前大多数研究通常活性物质负载量较低，远未达到商业标准。实际锂硫软包电池的高能量密度仍受限于低电解液/硫(E/S)和正负极材料质量比(N/P)条件下厚硫正极中Li⁺传输效率低下，这加剧了多硫化锂的穿梭效应，并带来缓慢的氧化还原动力学。在未来，应使用具有高面积容量、低E/S和N/P比的LSBs来评估其实际性能，这对于将高性能LSBs从实验室水平推向商业标准至关重要。然而，这些条件也会导致多硫化锂溶解不足，从而使其浓度增加。这不仅严重阻碍了元素硫以及多硫化锂的完全反应，还恶化了电解液的物理和化学性质。通过物理屏障和高溶解性电解质添加剂的协同作用来构建统一的宿主骨架是值得探索的。总之，高性能LSBs的优异面容量（>3 mAh cm^-2）和低电解质/硫比例对于其实际应用而言变得相当重要。此外，在高压和极端环境条件下进行扩展测试对于适应各种实际应用是必不可少的。这些测试必须考虑到实际运行中遇到的极端情况。在这些条件下进行严格的验证将确保高性能LSBs在实际应用中的安全性和可靠性。

综上所述，从目前来看，MHs在高性能LBs中展现出多维度的功能特性以及巨大的改进空间，其在高性能LBs的发展中具有重要的研究价值。对其性能和机制的进一步优化和研究将为下一代高安全性和长寿命的储能系统提供重要的技术支持。通过跨学科的协同创新和工程实践，MHs有望在储能领域实现从实验室到工业化的跨越式发展。

图4. MHs在LBs应用的展望图

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文章链接

Reaction Mechanisms, Design Principles, and Engineering Strategies of Metal Halides in High-Performance Lithium Rechargeable Batteries

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202514274

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通讯作者简介

康卫民教授简介：天津工业大学纺织科学与工程学院教授、博士生导师，中国纺织学术带头人、天津市中青年科技领军人才、全国纺织青年科技创新领军人才、天津市“131”创新型人才培养工程第一层次人选、天津市创新能手、天津市优秀科技工作者。康卫民教授长期从事纳微纤维材料理论研究、制备技术及应用开发，先后主持或参与国家级项目12项，天津市和企业项目20余项，研究成果荣获国家科技进步奖二等奖1项、省部级科技进步一等奖3项、二等奖4项。

邓南平副教授简介：天津工业大学纺织科学与工程学院副教授、博士生导师，主要从事纳微纤维材料的制备及其在锂电池领域的应用研究，目前主持国家自然科学基金、天津市面上项目、中国博士后科学基金特别资助项目及企业横向项目多项。近年来，申请人以第一和通讯作者在eScience、ACS Nano、AFM、ESM、AFMs等期刊发表SCI论文90余篇，4篇入选ESI高被引，总引用次数6619次，h-index为49。获授权专利12项，荣获2023年度中国纺织工业联合会发明专利金奖，专著《熔喷非织造材料》被评为部委级优秀出版物一等奖。连续入选“全球前2%顶尖科学家榜单”，并获“天津市优秀青年科技工作者”、“优秀创新创业导师奖”等称号。