Adv. Energy Mater.:超疏水准固体电解质提高Li-O2电池潮湿环境中安全性和循环寿命


【引言】

锂空电池(也场被称为Li-O2电池,可参考材料牛文章:锂空电池专题之反应原理研究进展】基于金属Li和O2氧化还原反应时,化学能转换电能的电池。锂电大牛Peter G. Bruce,对锂硫电池和锂空电池曾做了较为详尽的对比[1],同时包括锂氧、锂硫、锂离子电池、锌空电池比容量的对比。和锂硫电池相似,Li-O2电池具有相当高能量密度(≈3500 W h kg−1),成为当下的研究热点。

细心的读者注意到了锂空电池含水不含水两种类型电解液:在含水电解液中,O2形成O22-,并和Li+形成Li2O2,Li2O2进一步反应生成LiOH;不含水电解液O2与Li+最终产物就是Li2O2。近来研究证明,H2O直接导致LiOH生成,进而影响Li-O2电池的性能[2]。但是,使用金属锂做负极,在充电过程中,空气中的H2O不可避免的穿过电解液与负极反应,导致锂还原时有枝晶状产生,进而造成短路等危险。

【成果简介】

11月3日,Advanced Energy Materials在线发表题为“一种用于Li-O2电池的超疏水准固体电解质:潮湿气氛中改善安全性和循环寿命”(A Super-Hydrophobic Quasi-Solid Electrolyte for Li-O2 Battery with Improved Safety and Cycle Life in Humid Atmosphere)的研究论文[3],南京大学周豪慎教授,日本产业技术综合研究所(AISTDr. J. Yi为共同通讯作者

本文亮点:将超疏水准固体电解质(SHQSE)应用到Li-O2电池中,使得Li-O2电池在湿度45%的环境中,实现长的循环寿命和良好的安全性。

【图文导读】

无机固态电解质玻璃陶瓷薄膜(glass-ceramic film (LiSICON, Li2O-Al2O3-SiO2-P2O5-TiO2-GeO2, Ohara Corporation)可有效阻隔H2O穿过,有望实现电池在湿度51%的环境中应用。但其在碱性介质中的不稳定性和有限的循环寿命,以及差的机械柔韧性和脆性也不利于其应用(图1a)。于是,研制机械强度稳定,热稳定性良好,离子电导率高,电压窗口宽,并能抑制H2O从阴极到金属Li阳极的渗透的电解质就非常关键(图1b)。

图1 电池在潮湿大气中的示意图

figure3

a、b) 电解质a) LiSICON膜和b) SHQSE膜。

图2 SHQSE膜的微观形貌和宏观尺寸及其热稳定性。

figure4

a,b)SHQSE膜在a)平坦和b)弯曲条件下的照片图像。

c)SHQSE膜的SEM图像。

d)SHQSE膜的热重分析(TGA),在流动空气下,10℃ min-1

e,f)SHQSE膜在120℃处理1小时e)之前和f)之后的照片图像。

图3 SHQSE膜的接触角和疏水性实验。

figure5

a)H2O接触角和SHQSE膜上H2O滴的相应形状。

b,c)不同时间下玻璃纤维(GF),非织造片材和SHQSE膜的疏水试验。

d,e)使用溶解的FeCl3作为颜色指示剂的2mL H2O的渗透实验:d)GF膜和e)SHQSE膜。

图4 阻抗,LSV与恒电流循环测试。

figure6

a)不锈钢(SS)/ SHQSE / SS电池结构,通过电化学阻抗谱(EIS)测量研究离子电导率,SHQSE的奈奎斯特图。

b)扫速1 mV s-1时SHQSE的LSV。

c)恒电流循环来研究Li溶解/沉积过程的稳定性。电流密度0.05 mA cm-2,间隔时间30分钟。

7 电池性能测试

figure7

a,b)多次循环的充放电电压曲线,a,SHQSE和b)液体电解质。

c)电池充放电在150周期内的循环性能和库仑效率,电流密度500 mA g-2

【展望】

超疏水性的准固体电解质表现出强耐热性(无明显分解低于230℃),高电化学稳定性(>5.5V),离子电导率(0.91×10-3 S cm-1)和超疏水性(接触角>150°),实现Li-O2电池在潮湿的大气中工作的安全性和长寿命。结果表明超疏水性质的固态电解质可以阻止H2O与金属阳极Li交叉反应,为锂空电池的未来应用进行了有益探索,但Li-O2电池要作为电动车辆的电源,还需要努力。

原文链接:A Super-Hydrophobic Quasi-Solid Electrolyte for Li-O2 Battery with Improved Safety and Cycle Life in Humid Atmosphere (Adv. Energy Mater. 2016, 1601759,DOI: 10.1002/aenm.201601759)

通讯作者周豪慎教授简介:

周豪慎教授,南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师,能源科学与工程系主任。中组部千人计划专家,教育部长江教授,日本产业技术综合研究所主任研究员、能源部门首席科学家(兼),东京大学工学院客座教授,国家重大研究计划项目(973)首席科学家。作为项目负责人主持过NEDO,JST,JSPS等日本国家大型研究项目。在化学,材料及能源领域权威学术刊物如Nature Materials,Nature Communications,Angew Chemie, JACS, Adv Mater, Nano Letter, ACS Nano, Adv Fun Mater, Adv Energy Mater, Energy Enviroment Sci.等刊物上发表研究论文超过230篇,发表文章他引超6000次,其中单篇被引用超100次的有16篇,H因子45。已取得专利18件;转让技术,并被推向产业的有2项;主持与日本的汽车、化工、电力等领域知名公司合作的研发项目多项。目前本实验室在研项目有科技部973项目(首席),国家自然科学基金,江苏省科技厅项目,企业合作项目等。

参考文献:

1,Bruce PG, Freunberger SA, Hardwick LJ, Tarascon J-M. Li-O2 and Li-S batteries with high energy storage. Nature materials 2012, 11(1): 19-29.

2,Liu T, Leskes M, Yu W, Moore AJ, Zhou L, Bayley PM, et al. Cycling Li-O2 batteries via LiOH formation and decomposition. Science 2015, 350(6260): 530-533.

3,Wu S, Yi J, Zhu K, Bai S, Liu Y, Qiao Y, et al. A Super-Hydrophobic Quasi-Solid Electrolyte for Li-O2 Battery with Improved Safety and Cycle Life in Humid Atmosphere. Advanced Energy Materials 2016: DOI: 10.1002/aenm.201601759.

本文由材料人新能源学术小组pamperhey整理。

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