鋰氧電池
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-08-09
鋰氧電池的實例教程
Mater：“會呼吸的木頭”成就高性能鋰氧電池
【引言】
近年，鋰氧電池作為新一代儲能器件備受關(guān)注，通常而言，非水系的鋰氧電池由金屬鋰負(fù)極、非水系電解質(zhì)、多孔催化正極這三個重要部分構(gòu)成。鋰氧電池中正極的構(gòu)造至關(guān)重要，它直接決定著鋰離子傳輸動力學(xué)、電子傳導(dǎo)、氧氣擴(kuò)散、放電產(chǎn)物的生長等。鋰氧電池放電過程中，在正極中鋰離子逐漸與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成Li2O2固體，無法溶解的Li2O2固體則會將氧氣與鋰離子的傳輸通道堵塞而降低正極的活性面積。理想的正極結(jié)構(gòu)需要包含開孔型大孔與豐富的微孔，利于氧氣的傳輸和放電產(chǎn)物的積累，從而能夠賦予鋰氧電池優(yōu)異的電化學(xué)性能。
【成果簡介】
近日，美國馬里蘭大學(xué)帕克分校的胡良兵教授（通訊作者）團(tuán)隊在Advanced Energy Materials 上發(fā)表最新研究成果 “Hierarchically Porous, Ultrathick, “Breathable” Wood-Derived Cathode for Lithium-Oxygen Batteries”，該成果第一作者為宋慧宇副教授，現(xiàn)任職于華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院。在該文中，研究者從自然界中擁有層級多孔結(jié)構(gòu)的木頭上獲得啟發(fā)，設(shè)計了以“會呼吸”的碳化并活性化的木頭為基底，在其多孔微型孔道中負(fù)載釕納米顆粒，構(gòu)筑了鋰氧電池正極材料。微型孔道有利于氧氣擴(kuò)散傳輸，其中豐富多級孔的存在使得正極材料能夠被電解質(zhì)完全浸潤，孔道壁上形成的電解質(zhì)薄層確保了鋰離子的快速傳輸。以碳化活性木頭/釕（厚度約700 μm）為正極的鋰氧電池表現(xiàn)出高的面積比電容（0.1 mA cm-2 電流密度，8.58 mA h cm-2）和優(yōu)異的充放電循環(huán)性能；若增加正極的厚度至3.4 mm，鋰氧電池的面積比電容將提高至56.0 mA h cm-2。
展開 南京大學(xué)何平教授團(tuán)隊將三種二維鉬基化合物MoN、MoO3和MoS2用作鋰氧電池的負(fù)極催化劑，綜合比較了這些催化劑的催化性能和電子結(jié)構(gòu)
。電化學(xué)測試結(jié)果顯示MoN負(fù)極具有優(yōu)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(xì)研究了MoN與Li2O2產(chǎn)物的界面性質(zhì)以及以MoN為負(fù)極的鋰氧電池的反應(yīng)途徑，從原子水平解釋了MoN的優(yōu)異催化性能。相關(guān)論文以題為“Two-dimensional Mo-based compounds for the Li-O2 batteries: Catalytic performance and electronic structure studies”發(fā)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(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展日益增長的需求，能源轉(zhuǎn)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(xué)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(rèn)為是最有前途的能源體系。然而，在鋰氧二次電池商業(yè)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(fù)極上緩慢而復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)和析氧反應(yīng)的限制，導(dǎo)致電池過電位大，放電容量有限，循環(huán)壽命短。因此，各種催化劑被應(yīng)用于提高鋰氧電池氧化還原反應(yīng)/析氧反應(yīng)的反應(yīng)動力學(xué)和電化學(xué)性能，包括碳質(zhì)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(zhì)量快速傳輸，為化學(xué)/電化學(xué)反應(yīng)提供了足夠的催化位點，成為電催化、儲能等領(lǐng)域的研究熱點。
展開 活性物質(zhì)和電極的多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)鋰氧電池中氧氣電極高容量和良好可逆性的關(guān)鍵措施.
武漢理工大學(xué)劉金平課題組報道了一種新穎的三維復(fù)刻策略, 并用于設(shè)計鋰氧電池氧氣電極用多孔碳材料的三維結(jié)構(gòu). 文章近期發(fā)表于Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9367-3
圖1 三維復(fù)刻納米材料的路線
作為一個實例, 采用聚多巴胺包覆層為碳源, 通過完整復(fù)制納米結(jié)構(gòu)氧化鋅模板的形貌, 成功地制備了由扭曲的中空碳納米片組裝而成的花球狀碳微球.
作為氧氣電極的活性物質(zhì), 花球狀碳微球的三維多孔結(jié)構(gòu)不僅能容納放電產(chǎn)物過氧化鋰, 同時也能保持離子和氣體的擴(kuò)散通道. 此外, 氮摻雜引入的高缺陷為氧還原/析出反應(yīng)提供了充足的活性位點. 從而, 花球狀碳微球表現(xiàn)出高達(dá)
9163.7?mAh/g
的比容量和優(yōu)異的可逆性.
本工作呈現(xiàn)了一種用于能源存儲和轉(zhuǎn)化的多孔碳材料的三維結(jié)構(gòu)的有效可控制備方法, 即復(fù)制過渡金屬氧化物模板的納米結(jié)構(gòu).
來源：中國科學(xué)材料
展開 【研究背景】
隨著現(xiàn)代電子設(shè)備、電網(wǎng)存儲和電動汽車的快速發(fā)展，對高能量密度電池的需求變得比過去任何時候都更加緊迫。鋰-氧電池具有超高的理論能量密度，而被認(rèn)為是下一代電力系統(tǒng)的主力軍，但目前仍無法在保持高能量存儲能力的同時保證鋰負(fù)極的安全性和循環(huán)效率。目前為解決這些問題，一方面是嘗試在鋰金屬表面制備保護(hù)膜以提高鋰/電解質(zhì)界面的穩(wěn)定性；另一方面則是探索合金鋰負(fù)極如鋰化硅和鋰/石墨烯復(fù)合物來代替金屬鋰。然而，這兩種方法都需要引入電化學(xué)惰性或低容量的第二組分，大大降低活性鋰的負(fù)荷量和利用率，導(dǎo)致了低比容量，這與研究高能量密度的Li-O2電池的初衷背道而馳。因此，急需研究可以保持高比容量的同時提高安全性和循環(huán)效率的電池系統(tǒng)。
【成果簡介】
近日，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝教授團(tuán)隊為克服這一挑戰(zhàn)，將取向碳納米管交叉堆疊成多孔網(wǎng)絡(luò)，用于形成超高容量的鋰負(fù)極。該新型負(fù)極具有高達(dá)3656 mAh/g的可逆比容量，接近純鋰的理論容量3861 mAh/g。當(dāng)該負(fù)極用于鋰氧全電池時，由于無枝晶產(chǎn)生和穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面，循環(huán)穩(wěn)定性顯著提高。這項工作通過設(shè)計一維導(dǎo)電納米材料的交叉堆疊和對齊結(jié)構(gòu)，推進(jìn)了高性能鋰-氧電池向?qū)嶋H應(yīng)用的發(fā)展。該成果近日以題為“Stabilizing lithium into cross-stacked nanotube sheets with ultra-high specific capacity for lithium oxygen battery”發(fā)表在知名期刊Angew. Chem. Int. Ed上。
展開 將該復(fù)合鋰金屬負(fù)極構(gòu)建鋰氧全電池表現(xiàn)出大幅提升的循環(huán)穩(wěn)定性。
圖2. 交錯碳納米管復(fù)合鋰金屬負(fù)極(Li/3D-CSC)與其他應(yīng)用于鋰氧電池中的負(fù)極性能對比(左)及與其他典型鋰電極的性能對比(右)。
該研究中提出的通過一維納米材料構(gòu)筑層層交錯結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)化鋰負(fù)極及相關(guān)電池構(gòu)建中具備普適性。未來研究課進(jìn)一步優(yōu)化鋰金屬骨架的幾何微結(jié)構(gòu)、材料構(gòu)成及設(shè)計界面，繼續(xù)提升鋰負(fù)極的穩(wěn)定性和電化學(xué)性能，從而得到更高性能的鋰氧電池助力電動汽車等領(lǐng)域的發(fā)展。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201814324?af=R
來源：學(xué)術(shù)幫
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鋰氧電池的最新內(nèi)容
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石墨烯－碳化海綿鋰氧電池
石墨烯電池可以有效解決鋰電池的短板，產(chǎn)品特質(zhì)與新能源車用戶使用直接掛鉤。
電動汽車和現(xiàn)代電子產(chǎn)品需要長壽命、高安全性的電池，由于理論比容量高（3860mAh g?1）和低電極電位(?3.04V vs.標(biāo)準(zhǔn)氫電極）鋰金屬被認(rèn)為是有望應(yīng)用于下一代電池（如鋰硫電池和鋰氧電池
液體電解質(zhì)（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(xiàn)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(zhì)構(gòu)成的凝膠聚合物電解質(zhì)（GPE）擁有高的離子電導(dǎo)率，高的鋰離子遷移數(shù)，寬的電化學(xué)窗口和稀少的電解液泄露等優(yōu)勢，被廣泛深入地研究
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(rèn)為是最有前途的能源體系。然而，在鋰氧二次電池商業(yè)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(fù)極上緩慢而復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)和析氧反應(yīng)的限制，導(dǎo)致電池過電位大，放電容量有限，循環(huán)壽命短。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202010627
該研究的優(yōu)化配方有助于穩(wěn)定的鋰電鍍/剝離性能，庫侖效率> 94%，并且能夠提高鋰-氧全電池的性能。鋰表面的表征揭示了在優(yōu)化的配方中樹枝狀沉積和腐蝕的抑制以及界面處分解反應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)理。
當(dāng)該負(fù)極用于鋰氧全電池時，由于無枝晶產(chǎn)生和穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面，循環(huán)穩(wěn)定性顯著提高。這項工作通過設(shè)計一維導(dǎo)電納米材料的交叉堆疊和對齊結(jié)構(gòu)，推進(jìn)了高性能鋰-氧電池向?qū)嶋H應(yīng)用的發(fā)展。
具有極高理論能量密度(3505 Wh/kg)的鋰氧電池被認(rèn)為是未來高能量密度電池的“最終選擇”之一，然而目前在實際應(yīng)用中卻面臨著諸多挑戰(zhàn)。其中，作為鋰氧電池重要構(gòu)成部分的鋰金屬負(fù)極雖然理論比容量高達(dá)3860 mAh/g，但因存在著充放電過程中不斷形成枝晶引起短路和一系列副反應(yīng)等問題而無法實現(xiàn)其應(yīng)用價值。
活性物質(zhì)和電極的多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)鋰氧電池中氧氣電極高容量和良好可逆性的關(guān)鍵措施.
武漢理工大學(xué)劉金平課題組報道了一種新穎的三維復(fù)刻策略, 并用于設(shè)計鋰氧電池氧氣電極用多孔碳材料的三維結(jié)構(gòu).
這種“晶面決定性能“的現(xiàn)象早在一些貴金屬（及合金）和氧化物之于電/光電化學(xué)催化，光電轉(zhuǎn)化，鋰氧電池等研究領(lǐng)域中有所表現(xiàn)，而在OER催化中卻鮮有提及。因此，研究單一因素晶面對于OER的ηOER，亦即ΔG0O*-ΔG0HO* 的影響具有重要意義，對于合理設(shè)計更加有效的OER催化劑也具有指導(dǎo)意義。
“可呼吸”電池的初級版本是鋰-氧電池，以金屬鋰作負(fù)極，正極為由碳、貴金屬或過渡金屬氧化物等構(gòu)成的空氣電極，放電時從空氣中獲取氧氣，充電時再放出氧氣，因此被稱為“可呼吸”電池。在此基礎(chǔ)上衍生出的可充鈉-二氧化碳電池一般是以金屬鈉為負(fù)極，以碳等材料為正極，放電時從外界獲取溫室氣體二氧化碳，充電時再放出二氧化碳的一類電池。
