鋰-空氣電池由于具有超高的理論能量密度被譽為二次鋰電池的“圣杯”，因而受到了廣泛關(guān)注。但是目前鋰-空氣電池在循環(huán)過程中會發(fā)生許多副反應(yīng)從而導(dǎo)致電池性能的迅速衰減，極大限制了鋰-空氣電池的應(yīng)用。例如，鋰-空氣電池在充放電過程中會產(chǎn)生一系列含氧中間體，這些中間體不僅能使碳基催化劑被氧化，還會導(dǎo)致電解液的分解并持續(xù)攻擊鋰負極等，使鋰-空氣電池的可逆性受到嚴重挑戰(zhàn)。盡管鋰-空氣電池的充放電反應(yīng)需要含氧中間體介導(dǎo)被廣泛認可，但是中間體的生成路徑以及其誘發(fā)鋰-空氣電池的性能衰退的機理目前并不十分清晰。
青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心在鋰-空氣電池界面反應(yīng)機制方向進行長期深入研究，并獲得了一系列有影響的研究結(jié)果。
單線態(tài)氧(
1O2)會誘導(dǎo)的電解液鏈?zhǔn)椒纸夥磻?yīng)，導(dǎo)致電池老化，這是一個制約高能量密度電池發(fā)展的重要瓶頸問題。針對該問題，固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心，師法自然，借鑒了自然界中生物體中活性氧清除系統(tǒng)的工作機制，構(gòu)筑了一種具有單線態(tài)氧清除能力的光穩(wěn)定劑（PS）作為高壓鋰電池的正極粘結(jié)劑添加劑，從而明顯地減少循環(huán)中電解液的分解(
J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 43, 18041)，同時團隊還解析了單線態(tài)氧誘導(dǎo)副反應(yīng)的反應(yīng)路徑。
鋰-空氣電池的電極反應(yīng)為兩電子反應(yīng)，學(xué)術(shù)界普遍認為該過程不會發(fā)生O-O鍵斷裂，而單線態(tài)氧的產(chǎn)生通常需要O-O鍵的斷裂重排，因此鋰氧電池中單線態(tài)氧的生成路徑一直困擾學(xué)術(shù)界。固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心與牛津大學(xué)展開合作研究，深入解析了鋰-空氣電池中單線態(tài)氧的形成機制。通過同位素標(biāo)記結(jié)合在線質(zhì)譜（DEMS）分析，團隊首次清晰表征出了鋰氧電池中O-O斷裂的行為，發(fā)現(xiàn)了放電的歧化反應(yīng)過程中會發(fā)生O-O鍵斷裂和原子無序排列，而歧化反應(yīng)中的這些O-O鍵斷裂會產(chǎn)生的1O2。該工作表明通過調(diào)控歧化路徑，可以大幅地提高高能量密度鋰空電池的綜合性能。相關(guān)結(jié)果已于近日發(fā)表在Joule期刊上（Joule, online）。
鋰-空氣電池放電過程中單線態(tài)氧的生成路徑示意圖
上述系列工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項目、山東省重點研發(fā)計劃等項目的支持與資助。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S254243512100581X
Shanmu Dong#, Sixie Yang#, Yuhui Chen, Christian Kuss, Guanglei Cui, Lee R. Johnson*, Xiangwen Gao*, Peter G. Bruce*, Singlet oxygen and dioxygen bond cleavage in the aprotic lithium-oxygen battery. Joule, DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.12.012
