何 平

(南京大學(xué)儲(chǔ)能材料與技術(shù)中心，現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，固體微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210093)

基于含氧化還原中間體聚合物電解質(zhì)的長(zhǎng)壽命鋰空氣電池

何 平

(南京大學(xué)儲(chǔ)能材料與技術(shù)中心，現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，固體微結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210093)

鋰氧電池又被稱為鋰空氣電池，由于其理論能量密度是普通鋰離子電池的5–10倍，因而受到了人們的廣泛關(guān)注1。目前研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)基于無水電解液的鋰空氣電池的相關(guān)報(bào)道都是采用干燥的純氧做為正極活性物質(zhì)，這嚴(yán)重阻礙了鋰空氣電池的真正實(shí)用化發(fā)展2。而要實(shí)現(xiàn)鋰空氣電池的高能量密度，其所需要的氧氣應(yīng)該來自于空氣中，就像商業(yè)化的鋅空氣電池一樣。然而空氣中的水分和二氧化碳等容易造成鋰金屬的鈍化，有機(jī)電解液的分解以及副反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)生等。這些問題都極大地限制了鋰空氣電池的循環(huán)性能和能量效率等3。因此，研發(fā)可以直接從空氣中獲取氧氣進(jìn)行工作的鋰空氣電池是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

最近復(fù)旦大學(xué)王永剛教授課題組首次制備了一種基于含有0.05 mol·L?1LiI的聚合物電解質(zhì)的鋰空氣電池，該電池在空氣中(相對(duì)濕度為 15%)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定循環(huán)(穩(wěn)定循環(huán)400圈)。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在 Angewandte Chemie International Edition上4。為了解決基于單一非水電解液的鋰空氣電池所面臨的問題與挑戰(zhàn)，他們通過紫外聚合技術(shù)合成了凝膠電解質(zhì)(GPE)和含有 0.05 mol·L?1LiI的凝膠電解質(zhì)(0.05 mol·L?1LiI-GPE)。GPE和 0.05 mol·L?1LiI-GPE 是由許多固體顆粒堆積而成，因而與具有明顯孔道結(jié)構(gòu)的商業(yè)化Celgard隔膜完全不同。此外，研究者們通過燃燒試驗(yàn)和加熱試驗(yàn)的比較還發(fā)現(xiàn) GPE和 0.05 mol·L?1LiI-GPE 相比于商業(yè) celgard 隔膜而言，具有更高的耐熱穩(wěn)定性和耐燃安全性。另外，通過電化學(xué)交流阻抗測(cè)試比較，他們還發(fā)現(xiàn) 0.05 mol·L?1LiI-GPE的離子電導(dǎo)率與液體電解液的離子電導(dǎo)非常接近，且明顯大于GPE的離子電導(dǎo)。這一結(jié)果表明，LiI的加入能夠明顯增加電解液的離子電導(dǎo)。最后通過接觸角等測(cè)試，他們發(fā)現(xiàn)GPE和0.05 mol·L?1LiI-GPE實(shí)際上是由疏水的聚合物基底和醚類電解液兩部分組成，且可以作為鋰負(fù)極的有效保護(hù)層阻止空氣等的攻擊。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，因此他們將 0.05 mol·L?1LiI-GPE應(yīng)用于鋰空氣電池，并與含液體電解液和GPE的鋰空氣電池進(jìn)行電性能比較。當(dāng)定容為1000 mAh g?1且電流密度為 1000 mA g?1時(shí)，含有0.05 mol·L?1LiI-GPE的鋰空氣電池表現(xiàn)出了最小的充放電極化，這一結(jié)果證明了LiI添加劑確實(shí)可以有效降低充電過程的過電位。此外，對(duì)該電池體系進(jìn)一步的非原位掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、傅里葉變換紅外(FTIR)光譜和X射線光電子能譜(XPS)以及原位的氣相質(zhì)譜表征證明了在放充電過程中的主要反應(yīng)是基于Li2O2、LiOH以及Li2CO3的生成，與O2和CO2的析出反應(yīng)。

文中提出的疏水性的聚合物電解質(zhì)可以減少鋰的鈍化，而LiI的加入可以有效降低充電極化并減少副反應(yīng)的發(fā)生，因而該鋰空氣電池可以在空氣中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定循環(huán)。這一研究成果對(duì)鋰空氣電池的發(fā)展帶來新的啟示。

(1) Aetukuri, N. B.; McCloskey, B. D.; García, J. M.; Krupp, L. E.;Viswanathan, V.; Luntz, A. C. Nat. Chem. 2015, 7, 50. doi:10.1038/NCHEM.2132

(2) Chen, Y.; Freunberger, S. A.; Peng, Z.; Fontaine, O.; Bruce, P. G. Nat.Chem. 2013, 5, 489. doi: 10.1038/NCHEM.1646

(3) Feng, N. N.; He, P.; Zhou, H. S. Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1502303.doi: 10.1002/aenm.201502303

(4) Guo, Z. Y.; Li, C.; Liu, J. Y.; Wang, Y. G.; Xia, Y. Y. Angew.Chem. Int. Ed. 2017, doi: 10.1002/anie.201701142

A Long Life Li-Air Battery in Ambient Air with a Polymer Electrolyte Containing Redox Mediator

HE Ping
(Center of Energy Storage Materials & Technology, College of Engineering and Applied Sciences, National Laboratory of Solid State Microstructures, and Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, Nanjing University,Nanjing 210093, P. R. China)

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