鋰-空氣電池具有超高的理論能量密度,被譽為二次鋰電池的“聖盃”,受到廣泛關注。目前,鋰-空氣電池在迴圈過程中發生較多副反應,導致電池效能迅速衰減,限制了鋰-空氣電池的應用。例如,鋰-空氣電池在充放電過程中產生一系列含氧中間體,這些中間體使碳基催化劑被氧化,並致使電解液的分解並持續攻擊鋰負極等,使鋰-空氣電池的可逆性受到挑戰。儘管鋰-空氣電池的充放電反應需要含氧中間體介導被廣泛認可,但中間體的生成路徑以及其誘發鋰-空氣電池的效能衰退的機理尚不清晰。
中國科學院青島生物能源與過程研究所固態能源系統技術中心在鋰-空氣電池介面反應機制方面開展長期研究,並獲得了系列研究結果。
在新型電解質方面,透過共晶轉變和原位聚合製備了深共晶溶劑型聚合物電解質(DES-PE),降低了介面阻抗,有效抑制了含氧中間體等對鋰負極的攻擊(Energy Storage Mater.);進一步透過置換反應和聚合反應相結合的方法在鋰金屬負極上修飾一層均勻緻密的含碘多功能聚合物/合金介面層(IPA),可提供緻密有效的保護層從而減少含氧中間體等對鋰負極的侵蝕,並可提供有利的氧化還原中間體(RM),降低充電過電位從而減少含氧自由基對催化電極的腐蝕(Adv. Funct. Mater.)。
單線態氧(1O2)誘導的電解液鏈式分解反應,導致電池老化,這是制約高能量密度電池發展的瓶頸。針對該問題,固態能源系統技術中心借鑑自然界中生物體中活性氧清除系統的工作機制,構築出一種具有單線態氧清除能力的光穩定劑(PS)作為高壓鋰電池的正極粘結劑新增劑,從而明顯地減少迴圈中電解液的分解(J. Am. Chem. Soc.),同時,科研團隊還解析了單線態氧誘導副反應的反應路徑。
鋰-空氣電池的電極反應為兩電子反應,學術界普遍認為該過程不會發生O-O鍵斷裂,而單線態氧的產生通常需要O-O鍵的斷裂重排,因而鋰氧電池中單線態氧的生成路徑困擾學術界。固態能源系統技術中心與英國牛津大學合作,剖析鋰-空氣電池中單線態氧的形成機制。透過同位素標記結合線上質譜(DEMS)分析,研究團隊首次清晰表徵出鋰氧電池中O-O斷裂的行為,發現放電的歧化反應過程中發生O-O鍵斷裂和原子無序排列,而歧化反應中的這些O-O鍵斷裂會產生1O2。研究表明,透過調控歧化路徑,可提高高能量密度鋰空電池的綜合性能。近日,相關研究成果發表在Joule上。
研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、山東省重點研發計劃等的支援。
來源:中國科學院青島生物能源與過程研究所