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Ultrafast Electron–Ion Transport in Micron-Scale Iron Difluoride Cathode by Self-Assembly of Nanoconfined Carbon Black

材料科学 阴极 化学工程 介电谱 二氟 碳纤维 电化学 电解质 炭黑 微尺度化学 纳米晶 无定形固体 纳米技术 无定形碳 复合数 结构稳定性 纳米颗粒 动力学 纳米尺度 电极
作者
Zipeng Jiang,Shoudong Xie,Zefan Yu,Chengwei Fan,Huaihe Song
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:9 (21): 9739-9747
标识
DOI:10.1021/acsanm.6c00896
摘要

Conversion-type iron difluoride (FeF 2 ) has attracted considerable attention as a promising lithium-free cathode candidate for next-generation high-energy-density batteries owing to its high theoretical capacity and low cost. However, its practical application is severely limited by poor electronic/ionic conductivity, large volume expansion, and instability of the cathode electrolyte interphase (CEI). In this work, a FeF 2 /C composite with a unique dice-like micron-scale morphology was successfully synthesized via a simple solvothermal approach using ferrocene, ammonium fluoride, and nanoconfined Ketjen black (KB). Structural characterizations reveal that FeF 2 nanocrystals (∼15 nm) are uniformly encapsulated by a 3–5 nm amorphous carbon layer and self-assembled into micron-sized secondary particles. This hierarchical architecture integrates nanoscale fast electron/ion transport pathways with microscale structural integrity, significantly improving the reaction kinetics of the entire material. Benefiting from the nanocarbon confinement effect, the FeF 2 /C cathode shows a high reversible capacity of 229.5 mAh g –1, excellent rate capability, and outstanding cycling stability with 95% capacity retention after 200 cycles at 0.6 A g –1 . Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and distribution of relaxation time (DRT) indicate that KB remarkably reduces interfacial charge-transfer and CEI resistances, bringing with it a 2.5 times enhancement in the Li + diffusion coefficient. Meanwhile, this structure effectively mitigates structural collapse and volume expansion (65.6 vs 287.1% for pristine FeF 2 ), ensuring robust mechanical stability during cycling. This work demonstrates that synergistic integration of micron-scale structural integrity and conductive carbon engineering provides an effective strategy for advancing a lithium-free high-energy FeF 2 -based cathode.
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