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Nazar最新Science:两电子变四电子,高能量密度的锂氧电池

——前言——

锂氧气电池具有较高的理论能量密度而受到研究人员的关注。在锂氧电池中,金属Li和氧气反应,经过一个两电子过程而形成过氧化物。但是由于过氧化物氧化性强,会和有机电解质发生反应,且常用的多孔炭电极(正极材料)也易被过氧化物刻蚀。这些副反应严重阻碍了Li-O2电池的发展。

[Nazar最新Science]两电子变四电子,高能量密度的锂氧电池

DOI:10.1126/science.aas9343

——背景——

当锂金属和氧气反应时,通过四电子过程能够形成Li2O。与强氧化性的Li2O2不同,Li2O是一个较为温和的氧化剂,较难与有机电解质发生反应。因此,作者认为,通过四电子过程形成Li2O是提高Li-O2电池性能的有效步骤。

——本文亮点——

作者首先发现,在室温下,金属Li和氧气反应更加倾向于生成Li2O2;如果提高反应温度到大于150 oC时,倾向于生成Li2O。为此作者通过以下几个步骤来构建新型的Li-O2电池。

1.Li-O2电池的操作温度设定为150 oC,使得热力学上更容易生成Li2O

2.使用熔融盐(LiNO3/KNO3)作为液态的电解质;(具有高化学稳定性和电导率)

3.非碳基的Ni纳米可以作为氧还原的催化剂,LAGP作为固体电解质。

基于以上改进,作者成功构筑了高能量密度的Li-O2电池。

——图文快解——

[Nazar最新Science]两电子变四电子,高能量密度的锂氧电池

1 热力学曲线和Li-O2电池的构造

[Nazar最新Science]两电子变四电子,高能量密度的锂氧电池

2使用炭材料或者Ni-nitrate复合物作为正极材料时的表征

[Nazar最新Science]两电子变四电子,高能量密度的锂氧电池

3 使用熔融电解质是Li-O2的性能

[Nazar最新Science]两电子变四电子,高能量密度的锂氧电池

4 Li-O2电池的循环性能

[Nazar最新Science]两电子变四电子,高能量密度的锂氧电池

5 Ni基催化剂的氧还原反应机理

[Nazar最新Science]两电子变四电子,高能量密度的锂氧电池

图6 MIT的Yang Shao-Horn教授在同一期Science上对该工作的评述

——作者简介——

[Nazar最新Science]两电子变四电子,高能量密度的锂氧电池

Prof. Linda F. Nazar

课题组主页:http://www.science.uwaterloo.ca/~lfnazar/

 

文章链接:http://science.sciencemag.org/content/361/6404/777

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