基于含氧化還原中間體聚合物電解質的長壽命鋰空氣電池

何 平

(南京大學儲能材料與技術中心，現代工程與應用科學學院，固體微結構國家重點實驗室，人工微結構科學與技術協同創新中心，南京 210093)

基于含氧化還原中間體聚合物電解質的長壽命鋰空氣電池

何 平

(南京大學儲能材料與技術中心，現代工程與應用科學學院，固體微結構國家重點實驗室，人工微結構科學與技術協同創新中心，南京 210093)

鋰氧電池又被稱為鋰空氣電池，由于其理論能量密度是普通鋰離子電池的5–10倍，因而受到了人們的廣泛關注1。目前研究發現大多數基于無水電解液的鋰空氣電池的相關報道都是采用干燥的純氧做為正極活性物質，這嚴重阻礙了鋰空氣電池的真正實用化發展2。而要實現鋰空氣電池的高能量密度，其所需要的氧氣應該來自于空氣中，就像商業化的鋅空氣電池一樣。然而空氣中的水分和二氧化碳等容易造成鋰金屬的鈍化，有機電解液的分解以及副反應產物的產生等。這些問題都極大地限制了鋰空氣電池的循環性能和能量效率等3。因此，研發可以直接從空氣中獲取氧氣進行工作的鋰空氣電池是一個巨大的挑戰。

最近復旦大學王永剛教授課題組首次制備了一種基于含有0.05 mol·L?1LiI的聚合物電解質的鋰空氣電池，該電池在空氣中(相對濕度為 15%)實現了長時間的穩定循環(穩定循環400圈)。相關結果發表在 Angewandte Chemie International Edition上4。為了解決基于單一非水電解液的鋰空氣電池所面臨的問題與挑戰，他們通過紫外聚合技術合成了凝膠電解質(GPE)和含有 0.05 mol·L?1LiI的凝膠電解質(0.05 mol·L?1LiI-GPE)。GPE和 0.05 mol·L?1LiI-GPE 是由許多固體顆粒堆積而成，因而與具有明顯孔道結構的商業化Celgard隔膜完全不同。此外，研究者們通過燃燒試驗和加熱試驗的比較還發現 GPE和 0.05 mol·L?1LiI-GPE 相比于商業 celgard 隔膜而言，具有更高的耐熱穩定性和耐燃安全性。另外，通過電化學交流阻抗測試比較，他們還發現 0.05 mol·L?1LiI-GPE的離子電導率與液體電解液的離子電導非常接近，且明顯大于GPE的離子電導。這一結果表明，LiI的加入能夠明顯增加電解液的離子電導。最后通過接觸角等測試，他們發現GPE和0.05 mol·L?1LiI-GPE實際上是由疏水的聚合物基底和醚類電解液兩部分組成，且可以作為鋰負極的有效保護層阻止空氣等的攻擊。

基于以上優點，因此他們將 0.05 mol·L?1LiI-GPE應用于鋰空氣電池，并與含液體電解液和GPE的鋰空氣電池進行電性能比較。當定容為1000 mAh g?1且電流密度為 1000 mA g?1時，含有0.05 mol·L?1LiI-GPE的鋰空氣電池表現出了最小的充放電極化，這一結果證明了LiI添加劑確實可以有效降低充電過程的過電位。此外，對該電池體系進一步的非原位掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、傅里葉變換紅外(FTIR)光譜和X射線光電子能譜(XPS)以及原位的氣相質譜表征證明了在放充電過程中的主要反應是基于Li2O2、LiOH以及Li2CO3的生成，與O2和CO2的析出反應。

文中提出的疏水性的聚合物電解質可以減少鋰的鈍化，而LiI的加入可以有效降低充電極化并減少副反應的發生，因而該鋰空氣電池可以在空氣中實現長時間的穩定循環。這一研究成果對鋰空氣電池的發展帶來新的啟示。

(1) Aetukuri, N. B.; McCloskey, B. D.; García, J. M.; Krupp, L. E.;Viswanathan, V.; Luntz, A. C. Nat. Chem. 2015, 7, 50. doi:10.1038/NCHEM.2132

(2) Chen, Y.; Freunberger, S. A.; Peng, Z.; Fontaine, O.; Bruce, P. G. Nat.Chem. 2013, 5, 489. doi: 10.1038/NCHEM.1646

(3) Feng, N. N.; He, P.; Zhou, H. S. Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1502303.doi: 10.1002/aenm.201502303

(4) Guo, Z. Y.; Li, C.; Liu, J. Y.; Wang, Y. G.; Xia, Y. Y. Angew.Chem. Int. Ed. 2017, doi: 10.1002/anie.201701142

A Long Life Li-Air Battery in Ambient Air with a Polymer Electrolyte Containing Redox Mediator

HE Ping
(Center of Energy Storage Materials & Technology, College of Engineering and Applied Sciences, National Laboratory of Solid State Microstructures, and Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, Nanjing University,Nanjing 210093, P. R. China)

10.3866/PKU.WHXB201706025 www.whxb.pku.edu.cn