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研究进展

研究进展

赵勇教授课题组在ACS Applied Materials & Interfaces报道锂氧气电池的研究进展

来源: 河南大学材料学院    日期:2020-04-14   浏览次数:

 近期,赵勇教授课题组在锂氧气电池领域取得新进展,相关成果以“Inhibition of Discharge Side Reaction by Promoting Solution-Mediated Oxygen Reduction Reaction with Stable Quinone in Li-O2 Batteries”为题,以全文形式在国际材料科学期刊(ACS Applied Materials & Interfaces 2020, 12, 9, 10607-10615)上发表。

 论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c01105

 锂氧气电池具有高达3500 Wh/kg的理论能量密度。然而,其依然面临循环稳定性差挑战,造成上述问题的一个主要原因是电池在放电的过程中产生LiO2中间体,其很容易形成膜状放电产物Li2O2。由于Li2O2电子电导率和离子电导率低,造成放电反应提前终止。此外LiO2中间体与容易电解液发生反应。

 电解液中引入液相催化剂可以调控锂氧气电池的放电反应历程,使电极表面催化O2还原反应转换为液相催化O2还原反应,延缓膜状放电产物Li2O2的生成过程,从而提升电池的放电容量。在这些液相催化剂中,醌类分子则较为特殊,其在催化氧气还原过程中的过程中不但充当电子转移的媒介,而且会生成较为稳定的RM-LiO2的中间体,从而减少副反应的发生。

 从锂氧电池的放电原理推测,这些醌类分子催化O2还原和电极表面催化O2还原是一个竞争过程。当醌类分子的还原电位较低时,其催化O2还原能力较弱,那么电极表面催化O2还原占主导过程,电极表面产生较多的LiO2中间体,这不仅导致膜状Li2O2生成,而且将会引发电极腐蚀或电解液分解;相反,当醌类分子还原电位较高时,O2在电极表面还原的可能性减小,而由电极表面催化O2还原产生LiO2可能性就会得到降低。然而,已报导的较好醌类催化剂DBBQ在醚类电解液中的还原电位仍然较低,并且其在较高的充电电位下容易发生电化学分解。因此,需要寻找一种稳定的醌类分子催化剂,在促进液相催化O2还原的同时抑制电极表面催化O2还原过程,从而实现锂氧气电池容量和循环稳定性的双重提升。

 在本研究中,使用苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-4, 8-二酮 (BDTD) 醌分子作为液相催化剂,来研究溶液催化O2还原和电极表面催化O2还原过程对锂氧气电池放电容量和稳定性的影响。BDTD分子催化氧气还原的半波电位和分子扩散系数分别为~2.72 vs Li+/Li和5.05×10-7 cm2 s-1,均高于DBBQ的相应参数 (2.67 vs Li+/Li和2.89 × 10-7 cm2 s-1),从而确保了较高ORR反应速率。此外,BDTD分子无α-H,从而显示出较高的电化学稳定性。因此,与BDTD分子组装的锂氧气电池表现出高的放电电位和容量,以及良好的循环稳定性。

 (a) BDTD分子催化的液相氧还原过程 (由于BDTD较高放电电位及生成稳定的BDTD-LiO2复合结构,吸附的LiO2引发的副反应被抑制,锂氧气电池的容量和循环稳定性得到提升);(b) 无液相催化剂加入情况下,电极表面催化的氧还原过程 (吸附态的LiO2导致膜状Li2O2生成,导致电池容量降低,并且也会引发电极腐蚀和电解液分解)。

 特种功能材料实验室博士生刘肖为论文第一作者,赵勇博士为论文通讯作者。本工作得到了中组部、国家自然科学基金委、河南省科技厅、河南省教育厅和河南大学的大力支持。

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