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Cryo-TEM studies of binder free high performance FeF2 cathode based full cells enabled by surface engineering

材料科学 电解质 阴极 聚偏氟乙烯 化学工程 阳极 纳米颗粒 无定形固体 钝化 纳米技术 复合材料 图层(电子) 电极 聚合物 化学 有机化学 物理化学 工程类
作者
Yong Su,Shuangxu Liu,Dingding Zhu,Yang Luo,Xuedong Zhang,Jitong Yan,Jingzhao Chen,Lin Geng,Baiyu Guo,Hui Li,Qiushi Dai,Hongjun Ye,Jingming Yao,Yunna Guo,Gang Wang,Yongfu Tang,Liqiang Zhang,Congcong Du,Jianyu Huang,Qing Huang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:59: 102779-102779 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.102779
摘要

Iron-based fluorides (IBFs, typically FeF3 and FeF2) are potential next generation high energy density cathodes for lithium-ion batteries (LIBs) due to their high specific capacity, cost effectiveness and crustal abundance. However, IBFs decompose electrolyte violently which impedes their practical implementation in LIBs. Herein we report a strategy to embed FeF2 nanoparticles in an interconnected cyclic polyacrylonitrile (cPAN) network to passivate the cathode/electrolyte interface. Moreover, cPAN affords strong adhesion to both the FeF2 nanoparticles and the current collector, essentially acting as a binder that is superior to polyvinylidene fluoride (PVDF). Cryo-transmission electron microscopy reveals that the amorphous cPAN was uniformly coated on the FeF2 surface with a thickness of 5 nm, acting as an effective (cathode electrolyte interphase) CEI layer that inhibited the growth of excessive CEI, thus achieved stable cycling in lean electrolyte. When paired with the high capacity SiO/C anode, the FeF2-cPAN|SiO/C full cell delivered a capacity of 400 mAh/g after 100 cycles at 0.5C. Density functional theory (DFT) calculation indicates that the cPAN is inert to the electrolyte, thus suppresses the catastrophic electrolyte decomposition caused by FeF2. DFT further suggests that the existence of vacancies on the carbon surface will cause H transfer reaction of the solvent, leading to the degradation of the electrolyte. This study provides a viable technology to enable high energy density FeF2 cathode-based LIBs for energy storage applications.
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