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Harnessing Asymmetric Electrode Dissolution for Highly Reversible Fluorination of Trivalent Metals to Enable Long-Life F-Ion Batteries

化学 溶解 阳极 阴极 溶剂 钝化 电极 化学工程 离解(化学) 金属 无机化学 氟化物 储能 盐(化学) 化学反应 过渡金属 氟 能量转换 动力学 纳米技术 能量密度 高能 电化学 化学能
作者
Guyue Li,Keyi Chen,Runyuan Cao,Yuan Meng,Meng Lei,Chilin Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c18595
摘要

Abstract Fluoride-ion batteries (FIBs), owing to high theoretical energy density, are regarded as a key developmental direction for next-generation energy storage systems. However, during cycling, FIBs suffer from the dissolution loss of active materials and the formation of electron–ion insulated fluorination products, which severely hinders interfacial reaction kinetics and cycle stability. To address these challenges, we propose a synergistic strategy that integrates multiscale solvent screening with the regulation of asymmetric electrode dissolution mechanism, enabling highly reversible and low-polarization fluorination-defluorination in trivalent metal electrodes. We identify an ideal weakly coordinating solvent that ensure sufficient dissociation of fluoride salt while optimizing the chemical environment at electrolyte–electrode interface. On the cathode side, a solid-state migration-fluorination-defluorination mechanism is established to minimize active-material dissolution, thus fundamentally improving the cycling stability. On the anode side, leveraging the high charge density and strong F–-coordination affinity of Al3+, we convert the insoluble AlF3 to soluble Al–F complexes and construct a complexation-dissolution-redeposition mechanism. This prevents the fluorinated passivation commonly observed in Zn/Mg anodes and markedly lowers the interfacial electron/ion transport barriers. Benefiting from this approach, the FeF3||Pb full cell retains at least 2000 cycles, and the reversible operation of Al anodes in FIBs is demonstrated for the first time.
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