鋰/氟化石墨一次電池是目前能量密度最高的一次電池，在電子產品、醫療器械等領域應用廣泛。鋰/氟化石墨一次電池的能量密度與正極氟化石墨材料的氟化程度密切相關，氟化程度越高，電池的能量密度越大。但是，氟化程度的增加會導致氟化石墨正極材料電子導電性能變差。與此同時，電池放電產物氟化鋰容易沉積在氟化石墨顆粒端面，阻礙了鋰離子進一步向正極材料內部擴散和放電反應的進一步進行。因此，盡管鋰/氟化石墨一次電池具有較高的理論質量能量密度，但其倍率性能不佳，這限制了其在高功率器件中的應用。學界通常利用導電層包覆、材料納米化、降低氟化程度等手段對氟化石墨正極材料進行改性，以提升鋰/氟化石墨一次電池的功率特性，但這些對正極材料進行改性的方法不僅較繁瑣，而且在一定程度上犧牲了電池的能量密度。因此，開發出工藝更簡單、不影響能量密度且能夠有效提升鋰/氟化石墨一次電池功率特性的方法具有重要意義。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心懷柔研究部博士李泉和清潔能源實驗室E01組博士生薛巍然在研究員李泓、禹習謙的指導下，開發出一種三氟化硼氣體（BF₃）電解液添加劑，使鋰/氟化石墨一次電池的倍率性能得到大幅提升（圖1）。這種氣體添加劑可與高氟化程度的氟化石墨相匹配，在有效提升電池倍率性能的同時保持較高的能量密度。相關研究成果以Gaseous electrolyte additive BF₃ for high-power Li/CFx primary batteries為題，發表在Energy Storage Materials上（2021，DOI: 10.1016/j.ensm.2021.03.024）。

　　研究人員首先利用電化學阻抗和循環伏安法，對加入BF₃氣體添加劑與未加入添加劑的鋰/氟化石墨一次電池的反應動力學進行表征。結果顯示，使用含BF₃電解液的鋰/氟化石墨一次電池電荷轉移阻抗大大降低，反應動力學得到明顯改善。對放電后氟化石墨正極極片進行掃描電子顯微鏡和X射線衍射表征，發現氟化石墨在放電后發生顆粒破碎，而使用含BF₃電解液的正極顆粒破碎程度更深，且代表未反應氟化石墨（001）晶面的衍射峰完全消失，表明加入BF₃添加劑后，有更多的活性物質能夠參與放電反應（圖2）。研究人員進一步利用X射線光電子能譜，發現相比于對照組，使用含BF₃電解液的放電態正極（放電倍率為5C）表面和體相均檢測到更多的LiF（圖3），表明BF₃添加劑可有效提升高電流密度下氟化石墨體相容量的利用率。此外，對使用不含硼元素鋰鹽電池體系的正極表面進行元素分析，發現使用添加BF₃電解液的正極表面含有BF₄^-離子。基于以上發現，研究人員提出了BF₃電解液添加劑的作用機理：在放電過程中，BF₃可與沉積在氟化石墨正極表面的LiF發生化學反應，生成可溶于電解液的LiBF₄，降低了鋰離子進入正極材料內部的阻力，從而提升了電池的倍率性能（圖4）。

　　該研究使用三氟化硼氣體（BF₃）作為電解液添加劑，在提升鋰/氟化石墨一次電池倍率性能的同時保持了其高能量密度的特點。此外，相比于傳統方法對氟化石墨正極材料進行改性，使用電解液添加劑是一種更簡單且與工業化生產流程更兼容的方法，因而，其更具實用化價值。研究人員提出的利用三氟化硼氣體電解液添加劑提升電池倍率性能的思路對于其他電池體系性能的優化具有借鑒意義。研究工作得到國家自然科學基金委優秀青年基金和聯合基金重點項目的支持。

　　圖1.加入BF₃氣體添加劑與未加入添加劑的鋰/氟化石墨一次電池倍率性能和電化學阻抗對比

　　圖2.放電前和放電后正極極片的掃描電子顯微圖和X射線衍射譜，使用含BF₃電解液的正極顆粒在放電后破碎程度更大，且代表未反應氟化石墨（001）晶面的衍射峰完全消失

　　圖3.放電態正極極片的X射線光電子能譜（帶深度刻蝕）

　　圖4.電解液中加入BF₃氣體添加劑改善鋰/氟化石墨一次電池倍率性能的作用機理示意圖