南大周豪慎团队 Adv. Energy Mater.：利用Li基液态负极和MOFs隔膜构建安全、高效的有机氧电池

【背景介绍】

近年来，随着人们对能源短缺和环境问题认识的日益提高，电动汽车被广泛的关注。其中，Li-O₂电池由于具有与汽油相当的理论能量密度而备受关注。但理想的Li-O₂电池负极反应需要高度可逆的锂金属溶解/沉积。然而，由于Li金属的高反应活性和较大的体积变化，导致Li的利用率较低；而电流密度在Li表面和Li离子在SEI层中的的不均匀分布，则会导致Li枝晶的生长，造成电路短路现象，甚至造成严重的事故。

虽然目前提出了多种策略，但是与Li金属有关的问题尚未完全解决。联苯液态负极近年来收到了研究者的关注。另一方面，对于Li-O₂电池正极，研究者提出了氧化还原介体（RMs）策略来解决高过电位和副反应问题，但是电解质中的RMs自由扩散至负极可能会引起所谓“穿梭”效应。目前，无论是对于液态负极还是RMs，固态电解质（SSEs）常被用于阻止不必要的“穿梭”效应，但是制备困难和离子电导率差使得SSEs在实际应用中受到限制。

【成果简介】

近日，南京大学的周豪慎教授（通讯作者）团队报道了一种基于锂的有机液体负极，并实现了一种基于金属有机骨架（MOFs）隔膜的有机氧气电池，该隔膜能够传导锂离子并阻隔电池系统中的其他大分子。同时采用双氧化还原介质的策略，有机氧气电池显示出优异的倍率性能、长循环寿命和低的过电位。而且，他们在有机液体负极和离子导电隔膜之间观察到类固体电解质界面（SEI）层。该工作不仅为Li基电池提供了一种新型的负极，而且为更好的应用联苯基液体负极提供了基本思路。研究成果以题为“A Safe Organic Oxygen Battery Built with Li-Based Liquid Anode and MOFs Separator”发布在国际著名期刊Adv. Energy Mater.上。

【图文解读】

图一、Bp-Li液态负极的性能
（a）制备Bp-Li液态负极；

（b）Bp-Li负极与水的反应；

（c）通过EIS方法测量Bp-Li液态负极的电导率。

图二、ZIF-7隔膜的表征
（a）使用SSEs的联苯-Na/K液态负极与ZIF-7隔膜的联苯-锂液态负极的示意图；

（b）ZIF-7隔膜的横截面SEM图像；

（c）渗透测试在开始时和在7 d后的电子图像;

（d）不同时间点从G4一侧提取的电解质的FT-IR光谱。

图三、有机O₂电池的示意图和性能表征
（a）带有Bp-Li液态负极、双RM辅助KB正极和ZIF-7隔膜的有机O2电池示意图；

（b）双RM辅助氧正极和Bp-Li液体负极半电池的电化学特性；

（c）制备的Li基有机O₂电池的倍率性能；

（d）Li基有机O₂电池在100次循环内的循环性能。

图四、ZIF-7隔膜在电池中的性能测试和表征
（a）循环后，ZIF-7隔膜的截面和正面SEM图像；

（b）循环前后，ZIF-7隔膜的FT-IR光谱；

（c）循环后，ZIF-7/Bp-Li界面的XPS C 1s、F 1s和Zn 2p光谱；

（d）形成类似SEI的ZIF-7/Bp-Li界面示意图。

【小结】

综上所述，作者成功制备了一种使用非SSEs隔膜的Li基有机氧气电池。他们通过一种ZIF-7隔膜，在传导Li离子以桥接Bp-Li液态负极和O₂正极的同时，阻挡负极侧的Bp-Li和正极侧的RMs。得益于具有高电子电导率和离子电导率的Bp-Li负极和拥有特殊的腔结构的ZIF-7颗粒，有机氧气电池实现了快速的离子迁移，实现了高达4 A g^-1的优异倍率性能和高达100次循环的稳定放电/充电性能。此外，作者在ZIF-7隔膜上观察到基于液态负极形成了类SEI层，并发现Li₂CO₃、LiF、C-F物质和一些未溶解的联苯是其组分。借助于PVDF-HFP粘合剂，这些物质有助于为Bp-Li液态负极的功能建立稳定的界面。总之，该工作不仅将为Li基电池带来一种新型的负极，而且为更好的应用碱金属基液态负极提供更多的理解。

文献链接：A Safe Organic Oxygen Battery Built with Li-Based Liquid Anode and MOFs Separator.（Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.201903953）

作者简介

南京大学现代工程与应用科学学院14级硕士毕业生邓瀚为该文第一作者，周豪慎教授为通信作者。该团队一直致力于锂空气电池的研究，并首次提出混合电解液锂空气电池概念。近年来在MOFs材料在储能电池中的应用方面也开展了工作。混合电解液系列工作包括：J. Power Sources 2010, 195, 358−36；Energy Environ. Sci., 2011, 4, 4994；Adv. Energy Mater. 2012, 2, 770–779；Adv. Energy Mater. 2018, 1801120；Joule 3, 1–16, 2019。MOFs材料系列工作包括：Nature Energy，1, 16094 (2016)；ACS Energy Lett. 2018, 3, 2, 463-468；Joule, 2, 10, 2117-2132；Energy Environ. Sci., 2019,12, 2327-2344；Energy Storage Materials; 25, 164-171。

本文由CQR编译。

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