Acta Physico-Chimica Sinica  2017, Vol. 33 Issue (10): 1925-1926   (668 KB)    
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


锂氧电池又被称为锂空气电池,由于其理论能量密度是普通锂离子电池的5–10倍,因而受到了人们的广泛关注1。目前研究发现大多数基于无水电解液的锂空气电池的相关报道都是采用干燥的纯氧做为正极活性物质,这严重阻碍了锂空气电池的真正实用化发展2。而要实现锂空气电池的高能量密度,其所需要的氧气应该来自于空气中,就像商业化的锌空气电池一样。然而空气中的水分和二氧化碳等容易造成锂金属的钝化,有机电解液的分解以及副反应产物的产生等。这些问题都极大地限制了锂空气电池的循环性能和能量效率等3。因此,研发可以直接从空气中获取氧气进行工作的锂空气电池是一个巨大的挑战。

最近复旦大学王永刚教授课题组首次制备了一种基于含有0.05 mol·L−1 LiI的聚合物电解质的锂空气电池,该电池在空气中(相对湿度为15%)实现了长时间的稳定循环(稳定循环400圈)。相关结果发表在Angewandte Chemie International Edition4。为了解决基于单一非水电解液的锂空气电池所面临的问题与挑战,他们通过紫外聚合技术合成了凝胶电解质(GPE)和含有0.05 mol·L−1 LiI的凝胶电解质(0.05 mol·L−1 LiI-GPE)。GPE和0.05 mol·L−1 LiI-GPE是由许多固体颗粒堆积而成,因而与具有明显孔道结构的商业化Celgard隔膜完全不同。此外,研究者们通过燃烧试验和加热试验的比较还发现GPE和0.05 mol·L−1 LiI-GPE相比于商业celgard隔膜而言,具有更高的耐热稳定性和耐燃安全性。另外,通过电化学交流阻抗测试比较,他们还发现0.05 mol·L−1 LiI-GPE的离子电导率与液体电解液的离子电导非常接近,且明显大于GPE的离子电导。这一结果表明,LiI的加入能够明显增加电解液的离子电导。最后通过接触角等测试,他们发现GPE和0.05 mol·L−1 LiI-GPE实际上是由疏水的聚合物基底和醚类电解液两部分组成,且可以作为锂负极的有效保护层阻止空气等的攻击。

基于以上优点,因此他们将0.05 mol·L−1 LiI-GPE应用于锂空气电池,并与含液体电解液和GPE的锂空气电池进行电性能比较。当定容为1000 mAh g−1且电流密度为1000 mA g−1时,含有0.05 mol·L−1 LiI-GPE的锂空气电池表现出了最小的充放电极化,这一结果证明了LiI添加剂确实可以有效降低充电过程的过电位。此外,对该电池体系进一步的非原位扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱和X射线光电子能谱(XPS)以及原位的气相质谱表征证明了在放充电过程中的主要反应是基于Li2O2、LiOH以及Li2CO3的生成,与O2和CO2的析出反应。

文中提出的疏水性的聚合物电解质可以减少锂的钝化,而LiI的加入可以有效降低充电极化并减少副反应的发生,因而该锂空气电池可以在空气中实现长时间的稳定循环。这一研究成果对锂空气电池的发展带来新的启示。

Reference
(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