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南开周震课题组| 一种极其简单的锂氧气电池中金属锂负极的保护方法

南开周震课题组| 一种极其简单的锂氧气电池中金属锂负极的保护方法

研究亮点

1. 提出了一种极其简单的方法来实现金属锂负极的保护:将锂片置于1,4-二氧六环(DOA)液体中进行浸泡。
2. 对金属锂负极保护的原理进行了分析。

研究背景

锂空气电池由于具有超高的理论能量密度而备受关注,成为具有发展潜力的能量储存体系。但是锂空气电池的实际应用还面临着很诸多阻碍,电解液、空气正极和金属锂负极都有相应的问题。近十年来在研究工作者的努力下,空气正极和电解液方面进展迅速,相对而言金属锂负极的发展较为缓慢。在锂空气电池体系中,金属锂负极会和电解液发生反应造成电解液和金属锂的消耗,从而导致电池容量衰减和寿命变差。

本研究中,利用金属锂和DOA的反应,在金属锂表面生成高分子保护膜。保护膜的存在使得电池的循环性能有了显著的提升。实验结果表明保护膜有效地抑制了电解液与金属锂的反应并减轻了锂负极表面的形貌变化。

成果简介

近期,南开大学周震教授课题组在国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“An extremely simple method for protecting lithium anodes in Li-Obatteries”的论文,第一作者为南开大学博士研究生张欣。在这项工作中研究者通过将锂片置于DOA液体中进行浸泡来实现在金属锂表面覆盖一层保护性的薄膜,这种方法十分简单。实验测试表明金属锂负极经过DOA预处理后组装的电池循环性能有了显著的提升。通过X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)对预处理过程进行分析,发现金属锂可以与DOA发生化学反应,在其表面生成聚环氧乙烯的高分子薄膜。该薄膜有效地抑制了电解液与金属锂的反应并减轻了锂负极表面的形貌变化。

图文简介

南开周震课题组| 一种极其简单的锂氧气电池中金属锂负极的保护方法

1:金属锂在DOA中处理生成保护膜的示意图

图1展示了在金属锂表面生成保护膜的实验过程,将金属锂置于DOA中进行浸泡,从液体中取出的锂片可直接用作锂空气电池负极。

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图2:金属锂和DOA的反应过程

DOA与锂片的反应过程如图2所示。首先,DOA会按照路径1所示与金属锂发生作用,Li会攻击DOA中的C-O键使C-O键发生断裂,生成的中间产物会通过加氢反应形成2-乙氧基乙醇锂,然后2-乙氧基乙醇锂中的C-O键会继续被Li攻击,反应按照a和b两种方式进行,最后生成乙二醇二锂和乙醇锂,这两个产物都是亲核试剂。亲核试剂会继续进攻DOA,反应按照路径2进行。亲核试剂进攻DOA后导致DOA开环,生成的产物仍旧是亲核试剂,会继续进攻DOA,如此持续进行最后形成聚DOA的高分子。聚DOA高分子主要由环氧乙烯单体组成。

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图3:由预处理过的锂片(a)和原始锂片(b)组装的Li-O2电池100 mA/g电流下的循环性能

图3是电池循环测试图,展示了经过预处理后的锂负极对锂氧气电池的循环性能的提升效果。如图3(a)中所示,经过预处理后的锂负极展示出了优异的循环性能,可以稳定循环超过60周,而原始锂片只能循环29周。

文献链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201807985

供稿 | 深圳市清新电源研究院

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | 周震团队

主编 | 张哲旭


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本文由清新电源原创,作者周震团队,转载请申请并注明出处:http://www.sztspi.com/archives/151281.html

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