清華深研院ACS Energy letters ：新型電解液體系電用于鋰空氣電池

背逆時光 6年前 (2017-03-09) 7400瀏覽

【引言】

隨著全世界對能源的需求越來越大，可循環充放電的金屬空氣電池被認為是將來最具有前景的能源存儲裝置，因為其理論能量密度遠遠高于目前的鋰離子電池。其中，鋰氧氣電池是金屬空氣電池中最具代表性的一種電池，其理論比能量可以達到11140 Wh kg-1，與汽油的能量密度相當，足以滿足電動汽車的續航要求。然而，鋰氧氣電池在實際應用過程中，仍然存在很多需要解決的關鍵問題：如電解液體系不穩定，較差的循環性能與較低的庫倫效率。因此，開發、構建高效穩定的鋰空氣電池電解液體系，是鋰空氣電池現階段面臨的一項重大挑戰。

【成果簡介】

最近，清華大學深圳研究生院能源與環境材料團隊李寶華教授和翟登云副教授（共同通訊作者），劉如亮博士在ACS Energy letters上發表題為“Achieving Low Overpotential Lithium?Oxygen Batteries by Exploiting a New Electrolyte Based on N,N′?Dimethylpropyleneurea”的文章。研究者開發了以N, N'-二甲基丙烯基脲 (DMPU)作為溶劑、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)為添加劑、雙三氟甲基磺酰胺亞鋰（LiTFSI）作為鋰鹽的新型電解液體系。該電解液體系中，DMPU具有較低的蒸汽壓（b p=246 oC），較強的極性以及較好的溶解鋰鹽的能力；BHT可以吸附體系中產生的產氧自由基，減緩超氧自由基對電解液的破壞作用。因此，該體系兼具離子電導率高、熱穩定性好、抗氧化性強等優點，可以有效的而降低充放電電壓差，提高鋰氧電池循環穩定性。使用單純碳納米管作為正極組裝鋰氧電池，充電電壓降低到0.6V（鋰氧電池常規電解液TEGDME為1.4V）。

【圖文導讀】

圖1 DMPU/BHT體系的電化學性能

（a) 1M LiTFSI/DMPU,1MLiTFSI/TEGDME和1MLiTFSI/DMPU/ BHT 的電導率隨溫度變化曲線；

（b) LiTFSI/DMPU分別在Ar和O2氛圍下的CV曲線（工作電極為玻璃碳電極，測試掃描速度為100 mV s?1）；

（c) LiTFSI/DMPU與LiTFSI/TEGDME 在電流密度為100 μA cm-2條件下的全放電曲線；

（d) LiTFSI/DMPU與LiTFSI/TEGDME 分別在電流密度為100 μA cm-2條件下的第一圈限容充放電曲線。

圖2 基于DMPU/BHT體系的鋰氧氣電池放電產物表征

（a）全放電產物的XRD

（b）全放電產物的拉曼光譜

（c）全放電產物的SEM (DMPU)

（d）全放電產物的SEM (DMPU/BHT)

圖3不同條件下的限容充放電循環

（a) 1M LiTFSI/DMPU在不同電流密度條件下第一圈充放電曲線；

（b)首次循環之后更換LiTFSI/DMPU電解質的第一圈限容充放電曲線；

（c)1M LiTFSI/DMPU和 d)1 M LiTFSI/DMPU/BHT 在分別在電流密度為50μA cm-2的條件下限容充放電循環圖

圖4 ?Li2O2 在1 M LiTFSI/DMPU電解液中的分解機理示意圖

Reaction I:??? Li2O2 → 2Li+ +O2-(sol) + e-?????????????

Reaction II:? Li+ +O2-(sol) → 1/2 Li2O2 +1/2 O2↑???????

圖5 不同循環之后電解液溶劑的核磁譜圖

a)原始的DMPU, b)全放電之后的LiTFSI/DMPU, c) 第一圈循環之后的 LiTFSI/DMPU, d) 循環10圈之后的LiTFSI/DMPU, e) 全放電之后的 LiTFSI/DMPU/BHT, f) 個循環20圈之后的LiTFSI/DMPU/BHT。

【結語】

作者開發了以N, N'-二甲基丙烯基脲 (DMPU)作為溶劑、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)為添加劑的新電解液體系。該電解液體系有效的降低了鋰氧電池的過電壓，這主要歸因于在充電過程中，具有較高DN值的DMPU溶劑，易實現一個電子轉移。此外，BHT以化學吸附的方式穩定了LiO2，有利于提高電池的循環穩定性。本工作通過研究溶劑對鋰氧電池充電機理的影響，為開發新型、高性能的鋰氧電池電解液體系提供理論思路。

文獻鏈接：Achieving Low Overpotential Lithium?Oxygen Batteries by Exploiting a New Electrolyte Based on N,N′?Dimethylpropyleneurea（ACS Energy Lett.，2017, DOI: 10.1021/acsenergylett.6b00581）

本文由清華大學深圳研究生院康飛宇教授團隊供稿，材料人新能源組背逆時光編輯整理。

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