鋰氧二次電池
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-09
鋰氧二次電池的實例教程
鋰具有較高的理論比容量和最低的電化學勢，被公認為是最具前景的下一代高能量密度電池負極材料。然而，金屬鋰在二次電池中循環充放電下氧化和還原的可逆性仍是一個亟待解決的技術難題。針對這一挑戰，斯坦福大學崔屹組史菲菲博士從鋰金屬的沉積和剝離著手，以兩篇PNAS論文，深入揭示了鋰金屬氧化還原過程中的形貌、結構、和晶體學特性的演化及其機理。請看知社的深度介紹。
鋰金屬電沉積過程中的織構
鋰金屬的形貌演變通常被認為與其充放電循環過程中的不可逆性有緊密的聯系。崔屹課題組研究人員發現在電化學沉積過程中發生的金屬晶粒擇優取向，即織構化，是影響鋰金屬負極形態變化的主要內因。這個工作另辟蹊徑，從結晶學，分子選擇性吸附，和交換電流角度來理解鋰金屬電沉積的過程，該文章發表于PNAS 114， 12138 （2017），對未來負極材料和電解液設計的提供了新思路。
晶體的形貌通常由晶體學控制并強烈依賴于晶面選擇性。當多晶體的晶粒取向偏離隨機分布而出現擇優取向時，我們稱之為織構。傳統的X射線衍射θ-2θ掃描可以揭示晶粒的取向分布，但僅限于檢測取向與樣品表面平行的晶面。極圖則可以表達樣品中各晶粒的某一選定晶面{hkl}在樣品坐標系方向的極射赤面投影圖上的取向分布，數據更為完整。研究人員發現，普通鋰金屬箔通過軋制成型工藝制備，Li（200）極圖顯示了典型變形金屬的織構（圖1A），幾乎所有的強度都位于中心，傾斜角ψ等于零，表明了軋制的鋰片具有[100]面優選取向。
展開 該原位聚合工藝路線簡單易行，有望應用于目前的電池行業，
近期，北京化工大學材料學院隋剛教授的最新研究成果“通過原位構建的自增強凝膠聚合物電解質實現安全的鋰金屬電池”（Self-enhancing gel polymer electrolyte by in-situ construction for enabling safe lithium metal battery）發表在Advanced Science，論文的第一作者為北京化工大學博士研究生陳棟莉。
通過在聚多巴胺修飾的納米纖維膜（PDA/PVDF-HFP）中原位聚合1,3-二氧戊環（DOL）來構筑自增強的GPE，以實現高安全的凝膠LMB。目前，一些工作已經報道了原位制備的聚1,3-二氧戊環電解質（PDOL）可以顯著提高LMB的界面兼容性。與商業聚烯烴隔膜相比，靜電紡絲形成的納米纖維膜孔隙率高且分布均勻，與DOL單體溶液具有更好的親和力，有利于提高離子電導率。DOL前驅體溶液被牢固地吸收在多孔膜中，從而很好地膨脹PVDF-HFP鏈。聚合后無有機液體殘留的GPE保證了電池足夠的安全性。此外，PDA的修飾有效解決PVDF-HFP膜吸液后皺縮，機械強度變差的問題，且與PDOL及陰離子（TFSI-1）之間可形成氫鍵，顯著提高了GPE的機械強度、離子電導率和遷移數。同時，利用分子動力學模擬（MD）揭示了復合電解質同時取得高離子電導率和機械性能的內部因素。最后實驗證實使用該自增強的GPE的LiFePO4//Li在高電流密度下表現出優異的循環穩定性和抑制鋰枝晶的能力。在2 C電流密度下循環800圈后容量保持率為83.2%，平均每圈的容量損失為0.021%。
展開 南京大學何平教授團隊將三種二維鉬基化合物MoN、MoO3和MoS2用作鋰氧電池的負極催化劑，綜合比較了這些催化劑的催化性能和電子結構
。電化學測試結果顯示MoN負極具有優異的電池性能，其最高放電比容量約為7400mAh g?1，最低放電/充電過電位為0.19/0.72V。此外，通過密度泛函理論計算，詳細研究了MoN與Li2O2產物的界面性質以及以MoN為負極的鋰氧電池的反應途徑，從原子水平解釋了MoN的優異催化性能。相關論文以題為“Two-dimensional Mo-based compounds for the Li-O2 batteries: Catalytic performance and electronic structure studies”發表在Energy Storage Materials期刊上。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.06.036
為了滿足經濟和社會發展日益增長的需求，能源轉換和能源儲存，特別是金屬空氣電池和金屬離子二次電池一直是科學研究的重點。在這些體系中，鋰氧電池利用了Li2O2的可逆形成和分解，具有超高的理論比容量，被認為是最有前途的能源體系。然而，在鋰氧二次電池商業化之前，還有許多問題需要解決，目前，鋰氧電池的性能主要受到負極上緩慢而復雜的氧化還原反應和析氧反應的限制，導致電池過電位大，放電容量有限，循環壽命短。因此，各種催化劑被應用于提高鋰氧電池氧化還原反應/析氧反應的反應動力學和電化學性能，包括碳質材料、貴金屬、過渡金屬氧化物、鈣鈦礦等。
近年來，二維（2D）材料由于具有較大的電活性比表面積，有利于質量快速傳輸，為化學/電化學反應提供了足夠的催化位點，成為電催化、儲能等領域的研究熱點。
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液體電解質（LE）不僅存在泄露和可燃性問題，而且在鋰金屬電池（LMB）充放電過程中存在枝晶鋰的生成和過熱現象，造成可怕的安全隱患。而由功能性的聚合物骨架材料和液體電解質構成的凝膠聚合物電解質（GPE）擁有高的離子電導率，高的鋰離子遷移數，寬的電化學窗口和稀少的電解液泄露等優勢，被廣泛深入地研究
然而，在鋰氧二次電池商業化之前，還有許多問題需要解決，目前，鋰氧電池的性能主要受到負極上緩慢而復雜的氧化還原反應和析氧反應的限制，導致電池過電位大，放電容量有限，循環壽命短。因此，各種催化劑被應用于提高鋰氧電池氧化還原反應/析氧反應的反應動力學和電化學性能，包括碳質材料、貴金屬、過渡金屬氧化物、鈣鈦礦等。
鋰具有較高的理論比容量和最低的電化學勢，被公認為是最具前景的下一代高能量密度電池負極材料。然而，金屬鋰在二次電池中循環充放電下氧化和還原的可逆性仍是一個亟待解決的技術難題。針對這一挑戰，斯坦福大學崔屹組史菲菲博士從鋰金屬的沉積和剝離著手，以兩篇PNAS論文，深入揭示了鋰金屬氧化還原過程中的形貌、結構、和晶體學特性的演化及其機理
