大奖何平周豪慎通过卤代有机分子同时提升锂-氧气电池倍率性能和负极稳定性

编辑:www.dj88dj.com  发布者:袁敏敏发布时间:2018-12-25

    大奖何平教授与周豪慎教授,将氯甲酸三氯乙酯(TCCF)引入到传统的电解液体系,有效提高锂-氧气电池的倍率性能及金属锂负极稳定性。在正极方面,TCCF有效提高电解液电导率及氧气的溶解度和扩散系数,从而加快氧气反应速度,提升倍率性能;在负极方面,TCCF通过与金属锂反应,可以形成均致密的有机/无机复合保护层,减少电解液与金属锂的直接接触,从而提高金属锂负极的循环性能。在锂-氧气电池的测试结果中,含有TCCF的电池在1000 mA g-1 电流密度下的放电比容量可达2005 mA h g-1 Li|Li对称电池在面容量为10 mAh cm-2 的条件下,实现了900小时的稳定循环。该工作为高性能锂-氧气的研究和应用提供了新的思路。该研究成果以 “Versatile Halide Ester Enabling Li Anode Stability and High Rate Capability of Lithium-Oxygen Batteries”为题,于 2018 12 20日在线发表在Angewandte Chemie International Edition  上。 

                  

-氧气电池由于具有超高的理论比容量而获得全世界众多研究者的广泛关注,被认为是极具发展潜力的下一代储能体系之一。但是,要真正实现该电池体系实用化,还需要解决很多关键技术问题。例如,大电流下的充放电性能差及锂金属负极的效率和寿命低。获得大电流倍率性能的电池,不仅有高功率优势,也大幅缩短电池研发周期。目前,研究人员主要通过开发各种新型结构和成分的催化剂以及空气电极来提升电池倍率性能,通过设计电解液组分等一系列方法对金属锂进行保护,从而提高负极的循环稳定性。设计一种新的方法在提高氧气电极的倍率性能的同时提升锂金属负极的稳定性,对实现锂-氧气电池的实际应用具有重要的意义。    

  

   

(图一:锂-氧气电池充放电曲线图 a)无添加剂 b)有添加剂 c)电池在1000 mA g-1 电流密度下的循环性能 d)放电及充电后正极的XRD衍射图谱e) 两种不同的电解液中Li2CO3 LiOHLi2O2 的溶解度。) 


何与周等针对这一问题通过引入 TCCF到传统的电解液体系中,有效地提高电池的倍率性能及金属锂负极的循环稳定性。研究发现,电池在1000 mA g-1 电流密度下,放电比容量可达2005 mA h g-1 。而在无TCCF的电解液体系中,电流密度为1000 mA/g时,所能实现的放电比容量不足200 mAh/g。 

   

(图二:锂负极在不同电流密度下的长循环性能 a) 1 mA cm-2 b) 5 mA cm-2 c) 10 mA cm-2 。) 


此外,通过对锂负极的长循环性能进行测试发现,Li|Li对称电池在面容量为10 mAh cm-2 的条件下,可稳定循环900小时。 

   

(图三:两种电解液中10 mAh cm-2 沉积量下,锂金属电极的光学照片及扫描电镜图片a) b) c) 无添加剂条件下 d) e) f) 有添加剂条件下。) 


基于引入添加剂后的锂-氧气电池体系,通过比较锂金属表面的化学组成发现,TCCF与金属锂互相作用,在金属锂电极表面原位地生长一层均一致密的有机/无机复合保护层,减少电解液与金属锂的直接接触,从而提高金属锂负极的循环性能。进一步研究发现,该有机/无机复合保护层的主要成分为部分含氯有机物、LiClLi2CO3  

   

(图四:两种电解液中10 mAh cm-2 沉积量下,锂金属电极的光学照片及扫描电镜图片a) b) c) 无添加剂条件下 d) e) f) 有添加剂条件下。) 


【小结】   

通过将TCCF作为添加剂引入到锂-氧气电池电解液中,有效提高了电解液自身的电导率及氧气的扩散系数,增加了放电产物在电解液中的溶解度,从而提升了电池的倍率性能;不仅如此,TCCF通过与金属锂反应,在负极锂表面原位形成了一层均一致密的有机/无机复合保护层,减少了电解液与金属锂的直接接触,提高了金属锂负极的循环性能。含有该添加剂的电池在1000 mA g-1 电流密度下可实现高达2005 mA h g-1 的放电比容量;Li|Li对称电池在面容量为10 mAh cm-2 的条件下,实现了900小时的稳定循环。  

大奖 2017级博士生王迪为论文的第一作者,何平教授和周豪慎教授为该论文的通讯作者。该项研究得到国家重点研发计划新能源汽车专项,国家自然科学基金,江苏省自然科学基金和江苏省优势学科项目的资助。