【引言】

鋰氧電池(LOB)具有十倍于鋰離子電池的理論比能量，被認(rèn)為是頗具前途的下一代電池。經(jīng)過十年研究，其實際比能量仍然不夠高，且循環(huán)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能令人滿意。許多之前報道的LOB正極雖然比容量超高，可達(dá)>10，000 mAh·g-1，但卻是基于非常薄且超輕的材料，如石墨烯片，碳納米管或其他多孔碳?xì)饽z。這些材料僅占整個電池的重量比很低，因此根據(jù)這些正極材料的重量計算的比容量對設(shè)計具有高能量密度的LOB原型電池沒有指導(dǎo)性。常被忽略的問題是，LOB正極作為一種空氣正極，需要氧氣參與電化學(xué)反應(yīng)，而一旦電極做厚，氧氣很難擴散進(jìn)電極的內(nèi)部，就會導(dǎo)致比容量大幅降低。事實上，目前仍然沒有可充電的LOB原型電池同時具有高于鋰離子電池的比能量(280 Wh·kg-1)以及大于10次的循環(huán)壽命，很大一部分原因正是在于氧氣的擴散困難。為了解決上述難題，本文介紹一種“碎凝膠化”策略來改善厚LOB正極的比容量和循環(huán)性：具有液體電解質(zhì)的常規(guī)LOB正極用柔性的交聯(lián)聚合物凝膠化，再切碎成顆粒，顆粒間的縫隙可以作為氧氣擴散的快速通道;同時，聚合物的彈性會改善過氧化鋰與碳之間的接觸，有利于電子轉(zhuǎn)移并改善可循環(huán)性。受益于此設(shè)計，在無需添加任何催化劑下，實現(xiàn)了高達(dá)55 mAh·cm-2的單位面積容量，循環(huán)壽命長達(dá)170次循環(huán)(1000 mAh·g-1)。

【成果簡介】

近日，華中科技大學(xué)黃云輝教授和沈越副教授(通訊作者)等人，引入了“碎凝膠化”策略來提高Li-O2電池單位面積容量和循環(huán)壽命。傳統(tǒng)的具有液體電解質(zhì)的Li-O2正極材料與高彈性交聯(lián)聚合物凝膠化并切成50?200 μm顆粒。凝膠顆粒之間的間隙可以有效地將氧氣引入正極的內(nèi)部，使得Li2O2在厚的空氣正極內(nèi)部生長。同時，聚合物鏈的彈性有助于保持良好的碳和Li2O2納米顆粒之間的接觸，進(jìn)而改善電子傳導(dǎo)和循環(huán)性。沒有任何催化劑的情況下，顆粒凝膠正極能夠在 1000 mAh·gcarton-1的固定容量下，運行170次循環(huán);或者在完全放電充電的11個循環(huán)期間，比容量一直保持高于10500 mAh·gcarton-1(或12.6 mAh·cm-2)。相比較與鋰離子電池的單位面積容量(≈5.5 mA h·g-1)， 凝膠顆粒空氣正極具有明顯的優(yōu)勢。相關(guān)成果以“High Areal Capacity， Long Cycle Life Li-O2 Cathode Based on Highly Elastic Gel Granules”為題發(fā)表在Nano Energy上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

(a)凝膠顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖;

(b)化學(xué)的交聯(lián)的聚氨酯高分子生成反應(yīng)。

圖2 凝膠顆粒的物理化學(xué)性能

(a)大塊凝膠的數(shù)碼照片及其優(yōu)異的彈性;

(b)交聯(lián)聚氨酯凝膠電解質(zhì)和常規(guī)PVDF-HFP凝膠電解質(zhì)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(三角形圖顯示了拉伸應(yīng)力釋放后樣品的最終狀態(tài));

(c)不同壓縮比下凝膠顆粒堆積體的電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率。

圖3 凝膠顆粒正極的放電曲線密度

不同電流下，堆積顆粒狀凝膠正極和塊狀凝膠正極的放電曲線。

圖4 凝膠顆粒陰極的SEM圖及過氧化鋰分布有限元模擬圖

(a)和(b)粒狀凝膠正極不同部位的SEM圖像;

(c)有限元模擬Li2O2在顆粒凝膠正極中的分布;

(d)和(e)塊狀凝膠正極不同部位的SEM圖像;

(f)有限元模擬Li2O2在塊狀凝膠正極中的分布;。

圖5 顆粒凝膠正極的定容循環(huán)測試

(a)顆粒凝膠正極的有限容量循環(huán)曲線;

(b)顆粒凝膠正極和常規(guī)液體電解質(zhì)陰極電位的有限容量循環(huán)測試對比。

圖6 顆粒凝膠正極的全放全充循環(huán)測試

(a)顆粒凝膠正極的完全放電-充電曲線;

(b)顆粒凝膠正極和傳統(tǒng)液體電解質(zhì)正極的完全放電-充電循環(huán)測試對比。

圖7 不同空氣陰極的平均容量和循環(huán)壽命對比圖

不同空氣正極在全放全充循環(huán)測試中的容量和壽命對比：Ru/CNT[29]，RuO2納米片[30]，Ru/ITO[31]，納米孔Au[32]，納米TiC[33]，RuO2/mBCN[34]。

圖8循環(huán)后正極電解液的1H-NMR譜

(a)全譜光譜，表明主要組成部分;

(b)和(c)不同化學(xué)位移范圍的放大光譜，表明微量的副產(chǎn)物組分。(x軸放大10倍而y軸放大放大1000倍)

圖9彈性聚合物鏈對Li2O2-碳接觸的改善作用

彈性聚合物鏈對充放電過程中保持良好Li2O2-碳相互接觸具有促進(jìn)作用。

【小結(jié)】

本文報道了一種能夠提高的LOB正極單位面積容量和循環(huán)性能的新策略。傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)浸潤的多孔碳空氣正極，首先用高彈性交聯(lián)聚合物凝膠化，然后切成顆粒。凝膠顆粒之間的空隙極大地促進(jìn)了氧氣的擴散，使得較厚正極的內(nèi)部得到充分利用，從而得到了超高的面積容量(高達(dá)55 mAh·cm-2，為100微米厚鈷酸鋰電極的十倍)。此外，聚合物骨架的彈性，可以確保良好的Li2O2-碳接觸，這使得大部分放電產(chǎn)物在充電過程中能夠被氧化，進(jìn)而提高可循環(huán)性。顆粒凝膠正極在固定容量為1000 mAh·gcarbon-1時能夠運行170次循環(huán)，或在11次充放電循環(huán)期間維持高于10500 mAh·gcarbon-1(12.6 mAh·cm-2)的比容量。這種高面積容量的陰極，理論上可用于構(gòu)建比能量為1335 Wh·kg-1的LOB一次電池，或可組裝比能量為343-628 Wh·kg-1的可再充電LOB，并且運行壽命為11個循環(huán)。考慮到良好的接觸是任何催化作用的先決條件。在未來的研究中，重點是將與先進(jìn)的催化劑和電解質(zhì)結(jié)合起來，以降低超電勢并進(jìn)一步延長循環(huán)壽命。可以預(yù)見的是，在不久的將來，原型LOB的單體電芯比能量大于500 Wh·kg-1，并且完全放電充電循環(huán)壽命>20是很有可能實現(xiàn)的。