Adv. Energy Mater.：超疏水準固體電解質提高Li-O2電池潮濕環境中安全性和循環壽命

【引言】

鋰空電池（也場被稱為Li-O2電池，可參考材料牛文章：鋰空電池專題之反應原理研究進展】基于金屬Li和O2氧化還原反應時，化學能轉換電能的電池。鋰電大牛Peter G. Bruce，對鋰硫電池和鋰空電池曾做了較為詳盡的對比[¹],同時包括鋰氧、鋰硫、鋰離子電池、鋅空電池比容量的對比。和鋰硫電池相似，Li-O2電池具有相當高能量密度(≈3500 W h kg^?1)，成為當下的研究熱點。

細心的讀者注意到了鋰空電池有含水和不含水兩種類型電解液：在含水電解液中，O₂形成O₂^2-，并和Li⁺形成Li₂O₂，Li₂O₂進一步反應生成LiOH；不含水電解液O₂與Li⁺最終產物就是Li₂O₂。近來研究證明，H₂O直接導致LiOH生成，進而影響Li-O2電池的性能[²]。但是，使用金屬鋰做負極，在充電過程中，空氣中的H₂O不可避免的穿過電解液與負極反應，導致鋰還原時有枝晶狀產生，進而造成短路等危險。

【成果簡介】

11月3日，Advanced Energy Materials在線發表題為“一種用于Li-O₂電池的超疏水準固體電解質：潮濕氣氛中改善安全性和循環壽命”（A Super-Hydrophobic Quasi-Solid Electrolyte for Li-O2 Battery with Improved Safety and Cycle Life in Humid Atmosphere）的研究論文[³]，南京大學周豪慎教授，日本產業技術綜合研究所（AIST）Dr. J. Yi為共同通訊作者。

本文亮點：將超疏水準固體電解質（SHQSE）應用到Li-O₂電池中，使得Li-O₂電池在濕度45％的環境中，實現長的循環壽命和良好的安全性。

【圖文導讀】

無機固態電解質玻璃陶瓷薄膜(glass-ceramic film (LiSICON, Li₂O-Al₂O₃-SiO₂-P₂O₅-TiO₂-GeO₂, Ohara Corporation)可有效阻隔H₂O穿過，有望實現電池在濕度51%的環境中應用。但其在堿性介質中的不穩定性和有限的循環壽命，以及差的機械柔韌性和脆性也不利于其應用（圖1a）。于是，研制機械強度穩定，熱穩定性良好，離子電導率高，電壓窗口寬，并能抑制H₂O從陰極到金屬Li陽極的滲透的電解質就非常關鍵（圖1b）。

圖1?電池在潮濕大氣中的示意圖

a、b)?電解質a) LiSICON膜和b) SHQSE膜。

圖2?SHQSE膜的微觀形貌和宏觀尺寸及其熱穩定性。

a，b）SHQSE膜在a）平坦和b）彎曲條件下的照片圖像。

c）SHQSE膜的SEM圖像。

d）SHQSE膜的熱重分析（TGA），在流動空氣下，10℃ min^-1。

e，f）SHQSE膜在120℃處理1小時e）之前和f）之后的照片圖像。

圖3?SHQSE膜的接觸角和疏水性實驗。

a）H2O接觸角和SHQSE膜上H2O滴的相應形狀。

b，c）不同時間下玻璃纖維（GF），非織造片材和SHQSE膜的疏水試驗。

d，e）使用溶解的FeCl₃作為顏色指示劑的2mL H2O的滲透實驗：d）GF膜和e）SHQSE膜。

圖4?阻抗，LSV與恒電流循環測試。

a）不銹鋼（SS）/ SHQSE / SS電池結構，通過電化學阻抗譜（EIS）測量研究離子電導率，SHQSE的奈奎斯特圖。

b）掃速1 mV s^-1時SHQSE的LSV。

c）恒電流循環來研究Li溶解/沉積過程的穩定性。電流密度0.05 mA cm^-2，間隔時間30分鐘。

圖7 電池性能測試

a，b）多次循環的充放電電壓曲線，a，SHQSE和b）液體電解質。

c)電池充放電在150周期內的循環性能和庫侖效率，電流密度500 mA g^-2。

【展望】

超疏水性的準固體電解質表現出強耐熱性（無明顯分解低于230℃），高電化學穩定性（>5.5V），離子電導率（0.91×10^-3 S cm^-1）和超疏水性（接觸角>150°），實現Li-O₂電池在潮濕的大氣中工作的安全性和長壽命。結果表明超疏水性質的固態電解質可以阻止H₂O與金屬陽極Li交叉反應，為鋰空電池的未來應用進行了有益探索，但Li-O₂電池要作為電動車輛的電源，還需要努力。

原文鏈接：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)

通訊作者周豪慎教授簡介：

周豪慎教授，南京大學現代工程與應用科學學院教授、博士生導師，能源科學與工程系主任。中組部千人計劃專家，教育部長江教授，日本產業技術綜合研究所主任研究員、能源部門首席科學家（兼），東京大學工學院客座教授，國家重大研究計劃項目（973）首席科學家。作為項目負責人主持過NEDO，JST，JSPS等日本國家大型研究項目。在化學，材料及能源領域權威學術刊物如Nature Materials，Nature Communications，Angew Chemie, JACS, Adv Mater, Nano Letter, ACS Nano, Adv Fun Mater, Adv Energy Mater, Energy Enviroment Sci.等刊物上發表研究論文超過230篇，發表文章他引超6000次，其中單篇被引用超100次的有16篇，H因子45。已取得專利18件；轉讓技術，并被推向產業的有2項；主持與日本的汽車、化工、電力等領域知名公司合作的研發項目多項。目前本實驗室在研項目有科技部973項目（首席），國家自然科學基金，江蘇省科技廳項目，企業合作項目等。

參考文獻：

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學術小組pamperhey整理。

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