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转“祸”为“福”:高湿度环境下,锂空气电池空气电极体系设计

高能量密度电池是提升新能源汽车续航里程的关键。锂空气电池是目前理论能量密度(约3500 Wh Kg-1)最高的新型储能装置,在新能源领域备受关注。其理想的电化学反应是基于放电和充电过程中,过氧化锂的形成和分解(2Li++O2+2e–↔Li2O2)。但是,Li2O2较差的导电性及其与电解液的副反应会导致电池较高的充电电位(> 4.0 V),降低充电效率,缩短使用寿命。另一方面,在空气环境下,其放电产物Li2O2不可避免地与空气中的水分反应生成副产物,进一步恶化电池的充放电性能。如何保证电池中空气电极体系在水分存在的环境下,有效、稳定地工作是开发可实际应用锂空气电池的关键。

转“祸”为“福”:高湿度环境下,锂空气电池空气电极体系设计
近期,日本产业技术综合研究所(产综研,AIST)首席研究员、筑波大学和南京大学兼职教授周豪慎和产综研、筑波大学联合培养的博士三年级研究生吴士超,通过引入疏水性的常温离子液体电解液和对电极材料的优化设计,成功开发出能在相对湿度51%的氧气气氛下稳定工作的空气电极体系。放电过程中,Li2O2和水反应(Li2O2+2H2O↔2LiOH+H2O2)生成过氧化氢,过氧化氢通过复合电极中的二氧化锰催化分解成水,促使Li2O2完全转化为与电解液兼容的氢氧化锂化合物。充电过程中,复合电极中的二氧化钌可以有效地催化氢氧化锂化合物的分解,大幅降低充电电位。相对常用的吸水性较强的醚类和砜类溶剂,疏水性离子液体可以阻挡过量的水分进入电池体系,避免放电产物氢氧化锂化合物的溶解。该空气电极体系,在相对湿度51%的氧气中,充电电位降低至3.35 V,同时,在218次充放电循环测试中,容量没有衰减,充电电位基本不变,展现出优异的稳定性。

该项成果对实现锂空气电池的实际应用具有指导意义。相关结果发表于Advanced  Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201505420)。

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