非水体系锂-空气电池研究进展

doi:10.3866/PKU.WHXB201605261

Abstract

Abstract:

As a secondary battery, the Li-air battery has the highest theoretical specific energy and has been considered as one of the most promising power sources for electric vehicles. The Li-air battery based on organic electrolyte has become a topic of interest owing to its excellent theoretical energy density, environmental friendliness and low cost. During the past 20 years, much progress has been made in the development of the reaction mechanism, cathode structure, catalyst and electrolyte materials. But there are still many obstacles to overcome before its practical applications. In this paper, we review some of the latest progress in the research on the reaction mechanism, cathode materials, catalysts, electrolytes, as well as the lithium anode. Future research and development prospects are also discussed.

Key words: Li-air battery, Reaction mechanism, Cathode material, Lithium anode, Electrolyte

Ai-Ming WU,Guo-Feng XIA,Shui-Yun SHEN,Jie-Wei YIN,Ya MAO,Qing-You BAI,Jing-Ying XIE,Jun-Liang ZHANG. Recent Progress in Non-Aqueous Lithium-Air Batteries[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32(8), 1866-1879. doi: 10.3866/PKU.WHXB201605261

References

1	Littauer E. L. ; Tsai K. C. J. Electrochem. Soc. 1976, 123, 771.
2	Abraham K. M. ; Jiang Z. J. Electrochem. Soc. 1996, 143, 1.
3	Ogasawara T. ; Debart A. ; Holzapfel M. ; Novak P. ; Bruce P.G. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 1390.
4	Wang Y. G. ; Zhou H. S. J. Power Sources 2010, 195, 358.
5	Kumar B. ; Kumar J. ; Leese R. ; Fellner J. P. ; Rodrigues S. J. ; Abraham K. M. J. Electrochem. Soc. 2010, 157, A50.
6	Ren X. M. ; Zhang S. S. ; Tran D. T. ; Read J. J. Mater. Chem 2011, 21, 10118.
7	McCloskey B. D. ; Scheffler R. ; Speidel A. ; Girishkumar G. ; Luntz A. C. J. Phys. Chem. C. 2012, 116, 23897.
8	Laoire C. O. ; Mukerjee S. ; Abraham K. M. ; Plichta E. J. ; Hendrickson M. A. J. Phys. Chem. C. 2009, 113, 20127.
9	Laoire C. O. ; Mukerjee S. ; Abraham K. M. ; Plichta E. J. ; Hendrickson M. A. J. Phys. Chem. C. 2010, 114, 9178.
10	Peng Z. Q. ; Freunberger S. A. ; Hardwick L. J. ; Chen Y. H. ; Giordani V. ; Barde F. ; Novak P. ; Graham D. ; Tarascon J. M. ; Bruce P. G Angew. Chem. Int. Edit. 2011, 50, 6351.
11	Hummelshoj J. S. ; Luntz A. C. ; Norskov J. K. J. Chem. Phys. 2013, 138, 034703.
12	Zhai D. Y. ; Wang H. H. ; Yang J. B. ; Lau K. C. ; Li K. X. ; Amine K. ; Curtiss L. A. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 15364.
13	Lu J. ; Lee Y. J. ; Luo X. Y. ; Lau K. C. ; Asadi M. ; Wang H.H. ; Brombosz S. ; Wen J. G. ; Zhai D. Y. ; Chen Z. H. ; Miller D. J. ; Jeong Y. S. ; Park J. B. ; Fang Z. Z. ; Kumar B. ; Salehi-Khojin A. ; Sun Y. K. ; Curtiss L. A. ; Amine K. Nature 2016, 529, 377.
14	Aetukuri1 N. B. ; McCloskey B. D. ; García1 J. M. ; Krupp L.E. ; Viswanathan V. ; Luntz. A. C. Nat. Chem. 2015, 7, 50.
15	Liu T. ; Leskes M. ; Yu W. J. ; Moore A. J. ; Zhou L. N. ; Bayley P. M. ; Kim G. ; Grey C. P. Science 2015, 350, 530.
16	Girishkumar G. ; McCloskey B. ; Luntz A. C. ; Swanson S. ; Wilcke W. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 2193.
17	Xiao J. ; Wang D. H. ; Xu W. ; Wang D. Y. ; Williford R. E. ; Liu J. ; Zhang J. G. J. Electrochem. Soc. 2010, 157, A487.
18	Tran C. ; Yang X. Q. ; Qu D. Y. J. Power Sources 2010, 195, 2057.
19	Hayashi M. ; Minowa H. ; Takahashi M. ; Shodai T. Electrochemistry 2010, 78, 325.
20	Mirzaeian M. ; Hall P. J. Electrochim. Acta. 2009, 54, 7444.
21	Yang X. H. ; He P. ; Xia Y. Y. Electrochem. Commun. 2009, 11, 1127.
22	Lim H. D. ; Park K. Y. ; Song H. ; Jang E. Y. ; Gwon H. ; Kim J. ; Kim Y. H. ; Lima M. D. ; Robles R. O. ; Lepro X. ; Baughman R. H. ; Kang K. Adv. Mater. 2013, 25, 1348.
23	Xiao J. ; Mei D. H. ; Li X. L. ; Xu W. ; Wang D. Y. ; Graff G.L. ; Bennett W. D. ; Nie Z. M. ; Saraf L. V. ; Aksay I. A. ; Liu J. ; Zhang J. G. Nano Lett. 2011, 11, 5071.
24	Xia G. F. ; Shen S. Y. ; Zhu F. J. ; Xie J. Y. ; Hu Y. F. ; Zhu K. ; Zhang J. L. Electrochem. Commun. 2015, 60, 26.
25	Tong S. F. ; Zheng M. B. ; Lu Y. ; Lin Z. X. ; Zhang X. P. ; He P. ; Zhou H. S. Chem. Commun. 2015, 51, 7302.
26	Sun B. ; Chen S. Q. ; Liu H. ; Wang G. X. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 4436.
27	Han J. H. ; Guo X.W. ; Ito Y. ; Liu P. ; Hojo D. ; Aida T. ; Hirata A. ; Fujita T. ; Adschiri T. ; Zhou H. S. ; Chen M. W. Adv. Energy Mater. 2016, 6
28	Li Q. ; Xu P. ; Gao W. ; Ma S. G. ; Zhang G. Q. ; Cao R. G. ; Cho J. ; Wang H. L. ; Wu G. Adv. Mater. 2014, 26, 1378.
29	Yang X. H. ; He P. ; Xia Y. Y. Electrochem. Commun. 2009, 11, 1127.
30	Gowda S. R. ; Brunet A. ; Wallraff G. M. ; McCloskey B. D. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 276.
31	McCloskey B. D. ; Speidel A. ; Scheffler R. ; Miller D. C. ; Viswanathan V. ; Hummelshoj J. S. ; Norskov J. K. ; Luntz A.C. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 997.
32	Liu Q. C. ; Xu J. J. ; Xu D. ; Zhang X. B. Nat. Commun. 2015, 6, 7892.
33	Xu S. M. ; Zhu Q. C. ; Du F. H. ; Li X. H. ; Wei X. ; Wang K.X. ; Chen J. S. Dalton Trans. 2015, 44, 8678.
34	Peng Z. Q. ; Freunberger S. A. ; Chen Y. H. ; Bruce P. G. Science 2012, 337, 563.
35	Thotiyl M. M. O. ; Freunberger S. A. ; Peng Z. Q. ; Chen Y. H. ; Liu Z. ; Bruce P. G. Nat. Mater. 2013, 12, 1050.
36	Lu Y. C. ; Xu Z. C. ; Gasteiger H. A. ; Chen S. ; Hamad-Schifferli K. ; Shao-Horn Y. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 12170.
37	Lu Y. C. ; Gasteiger H. A. ; Shao-Horn Y. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 19048.
38	Jian Z. L. ; Liu P. ; Li F. J. ; He P. ; Guo X.W. ; Chen M.W. ; Zhou H. S. Angew. Chem. Int. Edit. 2014, 53, 442.
39	Sun B. ; Huang X. D. ; Chen S. Q. ; Munroe P. ; Wang G. X. Nano Lett. 2014, 14, 3145.
40	Zhou W. ; Cheng Y. ; Yang X. F. ; Wu B. S. ; Nie H. J. ; Zhang H. Z. ; Zhang H. M. J. Mater. Chem. A. 2015, 3, 14556.
41	Kim S. T. ; Choi N. S. ; Park S. ; Cho J. Adv. Energy Mater. 2015, 5
42	Luo W. B. ; Gao X.W. ; Chou S. L. ; Wang J. Z. ; Liu H. K. Adv. Mater. 2015, 27, 6862.
43	Xu J. J. ; Wang Z. L. ; Xu D. ; Zhang L. L. ; Zhang X. B. Nat.Commun. 2013, 4, 2438.
44	Liu Q. C. ; Li L. ; Xu J. J. ; Chang Z.W. ; Xu D. ; Yin Y. B. ; Yang X. Y. ; Liu T. ; Jiang Y. S. ; Yan J. M. ; Zhang X. B. Adv.Mater. 2015, 27, 8095.
45	Debart A. ; Bao J. ; Armstrong G. ; Bruce P. G. J. PowerSources 2007, 174, 1177.
46	Débart A. ; Paterson A. J. ; Bao J. ; Bruce P. G. Angew. Chem. 2008, 120, 4597.
47	Hu X. ; Cheng F. ; Zhang N. ; Han X. ; Chen J. Small 2015, 11, 5545.
48	Oh S. H. ; Black R. ; Pomerantseva E. ; Lee J. H. ; Nazar L. F. Nat. Chem. 2012, 4, 1004.
49	Xiong W. ; Gao Y. S. ; Wu X. ; Hu X. ; Lan D. N. ; Chen Y. Y. ; Pu X. L. ; Zeng Y. ; Su J. ; Zhu Z. H. ACS Appl. Mater. Inter. 2014, 6, 19416.
50	Sun B. ; Zhang J. Q. ; Munroe P. ; Ahn H. J. ; Wang G. Electrochem. Commun. 2013, 31, 88.
51	Zhang L. ; Zhang S. ; Zhang K. ; Xu G. ; He X. ; Dong S. ; Liu Z. ; Huang C. ; Gu L. ; Cui G. Chem. Commun. 2013, 49, 3540.
52	Wang H. L. ; Yang Y. ; Liang Y. Y. ; Zheng G. Y. ; Li Y. G. ; Cui Y. ; Dai H. J. Energ Environ. Sci. 2012, 5, 7931.
53	Cao Y. ; Cai S. R. ; Fan S. C. ; Hu W. Q. ; Zheng M. S. ; Dong Q. F. Faraday Discuss. 2014, 172, 215.
54	Liu Y. ; Cao L. J. ; Cao C.W. ; Wang M. ; Leung K. L. ; Zeng S. S. ; Hung T. F. ; Chung C. Y. ; Lu Z. G. Chem. Commun. 2014, 50, 14635.
55	Han X. P. ; Hu Y. X. ; Yang J. G. ; Cheng F. Y. ; Chen J. Chem.Commun. 2014, 50, 1497.
56	Ma Z. ; Yuan X. X. ; Li L. ; Ma Z. F. Chem. Commun. 2014, 50, 14855.
57	Wei Z. H. ; Zhao T. S. ; Zhu X. B. ; An L. ; Tan P. EnergyTechnol. 2015, 3, 1093.
58	Zhao Y. L. ; Xu L. ; Mai L. Q. ; Han C. H. ; An Q. Y. ; Xu X. ; Liu X. ; Zhang Q. J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2012, 109, 19569.
59	Xu J. J. ; Xu D. ; Wang Z. L. ; Wang H. G. ; Zhang L. L. ; Zhang X. B. Angew. Chem. Int. Edit. 2013, 52, 3887.
60	Li F. J. ; Ohnishi R. ; Yamada Y. ; Kubota J. ; Domen K. ; Yamada A. ; Zhou H. S. Chem. Commun. 2013, 49, 1175.
61	Park J. ; Jun Y. S. ; Lee W. R. ; Gerbec J. A. ; See K. A. ; Stucky G. D. Chem. Mater. 2013, 25, 3779.
62	Yang B. J. ; Wang H. ; Li L. ; Huang B.W. ; Liao X. Z. ; He Y.S. ; Ma Z. F. Acta Phys.-Chim. Sin. 2014, 30, 150.
62	阳炳检; 王红; 李磊; 黄博文; 廖小珍; 何雨石; 马紫峰. 物理化学学报, 2014, 30, 150.
63	Zhang K. J. ; Zhang L. X. ; Chen X. ; He X. ; Wang X. G. ; Dong S. M. ; Gu L. ; Liu Z. H. ; Huang C. S. ; Cui G. L. ACSAppl. Mater. Inter. 2013, 5, 3677.
64	Zhang K. J. ; Zhang L. X. ; Chen X. ; He X. ; Wang X. G. ; Dong S. M. ; Han P. X. ; Zhang C. J. ; Wang S. ; Gu L. ; Cui G.L. J. Phys. Chem. C. 2013, 117, 858.
65	Dong S. M. ; Chen X. ; Zhang K. J. ; Gu L. ; Zhang L. X. ; Zhou X. H. ; Li L. F. ; Liu Z. H. ; Han P. X. ; Xu H. X. ; Yao J.H. ; Zhang C. J. ; Zhang X. Y. ; Shang C. Q. ; Cui G. L. ; Chen L. Q. Chem. Commun. 2011, 47, 11291.
66	Kwak W. J. ; Lau K. C. ; Shin C. D. ; Amine K. ; Curtiss L. A. ; Sun Y. K. ACS Nano 2015, 9, 4129.
67	Yu M. Z. ; Ren X. D. ; Ma L. ; Wu Y. Y. Nat. Commun. 2014, 5
68	Chen Y. H. ; Freunberger S. A. ; Peng Z. Q. ; Fontaine O. ; Bruce P. G. Nat. Chem. 2013, 5, 489.
69	Lim H. D. ; Song H. ; Kim J. ; Gwon H. ; Bae Y. ; Park K. Y. ; Hong J. ; Kim H. ; Kim T. ; Kim Y. H. ; Lepro X. ; Ovalle-Robles R. ; Baughman R. H. ; Kang K. Angew. Chem. Int. Edit. 2014, 53, 3926.
70	Trahan M. J. ; Gunasekara I. ; Mukerjee S. ; Plichta E. J. ; Hendrickson M. A. ; Abraham K. M. J. Electrochem. Soc. 2014, 161, A1706.
71	Sun D. ; Shen Y. ; Zhang W. ; Yu L. ; Yi Z. Q. ; Yin W. ; Wang D. ; Huang Y. H. ; Wang J. ; Wang D. L. ; Goodenough J. B. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 8941.
72	Bergner B. J. ; Schurmann A. ; Peppler K. ; Garsuch A. ; Janek J. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 15054.
73	Kundu D. ; Black R. ; Adams B. ; Nazar L. F. ACS Cent. Sci. 2015, 1, 510.
74	Freunberger S. A. ; Chen Y. H. ; Peng Z. Q. ; Griffin J. M. ; Hardwick L. J. ; Barde F. ; Novak P. ; Bruce P. G. J. Am. Chem.Soc. 2011, 133, 8040.
75	McCloskey B. D. ; Bethune D. S. ; Shelby R. M. ; Girishkumar G. ; Luntz A. C. J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 1161.
76	McCloskey B. D. ; Scheffler R. ; Speidel A. ; Bethune D. S. ; Shelby R. M. ; Luntz A. C. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18038.
77	Freunberger S. A. ; Chen Y. H. ; Drewett N. E. ; Hardwick L. J. ; Barde F. ; Bruce P. G. Angew. Chem. Int. Edit. 2011, 50, 8609.
78	Takechi K. ; Higashi S. ; Mizuno F. ; Nishikoori H. ; Iba H. ; Shiga T. ECS Electrochem. Lett. 2012, 1, A27.
79	Xu D. ; Wang Z. L. ; Xu J. J. ; Zhang L. L. ; Zhang X. B. Chem.Commun. 2012, 48, 6948.
80	Sharon D. ; Afri M. ; Noked M. ; Garsuch A. ; Frimer A. A. ; Aurbach D. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 3115.
81	Xu D. ; Wang Z. L. ; Xu J. J. ; Zhang L. L. ; Wang L. M. ; Zhang X. B. Chem. Commun. 2012, 48, 11674.
82	Chen Y. ; Freunberger S. A. ; Peng Z. ; Barde F. ; Bruce P. G. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 7952.
83	Walker W. ; Giordani V. ; Uddin J. ; Bryantsev V. S. ; Chase G.V. ; Addison D. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 2076.
84	Allen C. J. ; Mukerjee S. ; Plichta E. J. ; Hendrickson M. A. ; Abraham K. M. J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 2420.
85	Zhang T. ; Zhou H. S. Angew. Chem. Int. Edit. 2012, 51, 11062.
86	Elia G. A. ; Hassoun J. ; Kwak W. J. ; Sun Y. K. ; Scrosati B. ; Mueller F. ; Bresser D. ; Passerini S. ; Oberhumer P. ; Tsiouvaras N. ; Reiter J. Nano Lett. 2014, 14, 6572.
87	Soavi F. ; Monaco S. ; Mastragostino M. J. Power Sources 2013, 224, 115.
88	Ara M. ; Meng T. J. ; Nazri G. A. ; Salley S. O. ; Ng K. Y. S. J. Electrochem. Soc. 2014, 161, A1969.
89	Liu Q. C. ; Xu J. J. ; Yuan S. ; Chang Z.W. ; Xu D. ; Yin Y. B. ; Li L. ; Zhong H. X. ; Jiang Y. S. ; Yan J. M. ; Zhang X. B. Adv.Mater. 2015, 27, 5241.
90	Jang I. C. ; Ida S. ; Ishihara T. J. Electrochem. Soc. 2014, 161, A821.
91	Lee D. J. ; Lee H. ; Song J. ; Ryou M. H. ; Lee Y. M. ; Kim H.T. ; Park J. K. Electrochem. Commun. 2014, 40, 45.
92	Shui J. L. ; Okasinski J. S. ; Kenesei P. ; Dobbs H. A. ; Zhao D. ; Almer J. D. ; Liu D. J. Nat. Commun. 2013, 4
93	Hassoun J. ; Jung H. G. ; Lee D. J. ; Park J. B. ; Amine K. ; Sun Y. K. ; Scrosati B. Nano Lett. 2012, 12, 5775.

[1]	Hanyu Xu, Xuedan Song, Qing Zhang, Chang Yu, Jieshan Qiu. Mechanistic Insights into Water-Mediated CO₂ Electrochemical Reduction Reactions on Cu@C₂N Catalysts: A Theoretical Study [J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2024, 40(1): 2303040-.
[2]	Fengyu Gao, Hengheng Liu, Xiaolong Yao, Zaharaddeen Sani, Xiaolong Tang, Ning Luo, Honghong Yi, Shunzheng Zhao, Qingjun Yu, Yuansong Zhou. Spherical Mn_xCo_3−xO_4−ƞ Spinel with Mn-Enriched Surface as High-Efficiency Catalysts for Low-Temperature Selective Catalytic Reduction of NO_x by NH₃ [J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2023, 39(9): 2212003-0.
[3]	Guoyong Xue, Jing Li, Junchao Chen, Daiqian Chen, Chenji Hu, Lingfei Tang, Bowen Chen, Ruowei Yi, Yanbin Shen, Liwei Chen. A Single-Ion Polymer Superionic Conductor [J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2023, 39(8): 2205012-0.
[4]	Shuai Chen, Chuang Yu, Qiyue Luo, Chaochao Wei, Liping Li, Guangshe Li, Shijie Cheng, Jia Xie. Research Progress of Lithium Metal Halide Solid Electrolytes [J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2023, 39(8): 2210032-0.
[5]	Qiuying Xia, Yu Cai, Wei Liu, Jinshi Wang, Chuanzhi Wu, Feng Zan, Jing Xu, Hui Xia. Direct Recycling of All-Solid-State Thin Film Lithium Batteries with Lithium Anode Failure [J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2023, 39(8): 2212051-0.
[6]	Qu Zhuoyan, Zhang Xiaoyin, Xiao Ru, Sun Zhenhua, Li Feng. Application of Organosulfur Compounds in Lithium-Sulfur Batteries [J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2023, 39(8): 2301019-0.
[7]	Liu Yuankai, Yu Tao, Guo Shaohua, Zhou Haoshen. Designing High-Performance Sulfide-Based All-Solid-State Lithium Batteries: From Laboratory to Practical Application [J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2023, 39(8): 2301027-0.
[8]	Linfeng Peng, Chuang Yu, Chaochao Wei, Cong Liao, Shuai Chen, Long Zhang, Shijie Cheng, Jia Xie. Recent Progress on Lithium Argyrodite Solid-State Electrolytes [J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2023, 39(7): 2211034-0.
[9]	Hangyu Lu, Ruilin Hou, Shiyong Chu, Haoshen Zhou, Shaohua Guo. Progress on Modification Strategies of Layered Lithium-Rich Cathode Materials for High Energy Lithium-Ion Batteries [J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2023, 39(7): 2211057-0.
[10]	Huan Liu, Yu Ma, Bin Cao, Qizhen Zhu, Bin Xu. Recent Progress of MXenes in Aqueous Zinc-Ion Batteries [J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2023, 39(5): 2210027-0.
[11]	Youwen Rong, Jiaqi Sang, Li Che, Dunfeng Gao, Guoxiong Wang. Designing Electrolytes for Aqueous Electrocatalytic CO₂ Reduction [J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2023, 39(5): 2212027-0.
[12]	Chenyang Chen, Yongzhi Zhao, Yuanyuan Li, Jinping Liu. Research Progress of High-Voltage/Wide-Temperature-Range Aqueous Alkali Metal-Ion Batteries [J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2023, 39(5): 2211005-0.
[13]	Yae Qi, Yongyao Xia. Electrolyte Regulation Strategies for Improving the Electrochemical Performance of Aqueous Zinc-Ion Battery Cathodes [J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2023, 39(2): 2205045-0.
[14]	Jingwen Zhang, Hualong Ma, Jun Ma, Meixue Hu, Qihao Li, Sheng Chen, Tianshu Ning, Chuangxin Ge, Xi Liu, Li Xiao, Lin Zhuang, Yixiao Zhang, Liwei Chen. Cone Shaped Surface Array Structure on an Alkaline Polymer Electrolyte Membrane Improves Fuel Cell Performance [J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2023, 39(2): 2111037-0.
[15]	Ru Wang, Zhikang Liu, Chao Yan, Long Qie, Yunhui Huang. Interface Strengthening of Composite Current Collectors for High-Safety Lithium-Ion Batteries [J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2023, 39(2): 2203043-0.

Recent Progress in Non-Aqueous Lithium-Air Batteries

RichHTML

PDF

Like

Knowledge

Abstract

Cite this article

share this article

References

Related Articles 15

Metrics

Recommended 0