锂空气电池溶液相催化研究新进展

发布日期:2018-9-24     浏览次数:997次    发布者:刘春英    


董全峰教授课题组和龚磊副教授课题组在锂空气电池溶液相催化方面取得重要进展,相关研究成果以“Controlling Reversible Expansion of Li2O2Formation and Decomposition by ModifyingElectrolyte in Li-O2 Batteries为题发表于Cell Press旗下的Chem期刊(DOI:10.1016/j.chempr.2018.08.029

锂空电池分别使用空气中的氧气和金属锂作为正负极活性材料,具有极高的能量密度。但是,这一体系尚不能实现商业化的应用,其中一些关键问题未能解决。由于其正极活性材料是气体,使得电化学反应涉及气--固三相界面,电极过程十分复杂。与其它二次电池相比,空气电极需要考虑结构因素和催化因素。不仅要改善氧气电化学反应的动力学迟缓问题,还要考虑放电产物的驻留空间问题。董全峰教授课题组在前期开展了基于空气电极固相表面电催化研究,并结合电极结构方面的问题,构筑了有利于氧气发生反应的仿生开放式结构电极(Adv. Energy Mater.,2018, 8, 1800089; Energy Environ. Sci., 2012, 5, 9765–9768; ACS Catal.,2018, 8, 7983-7990)。

该工作则重点研究液相催化问题,设计并合成出一种在有机电解液中溶解度较高钌联吡啶配合物(RuPC),可作为锂空气电池的溶液相催化剂。该溶液相催化剂具有以下几种功能:(1)该溶液相催化剂可以自由移动,可以与过氧化锂形成较好的固/液接触界面,从而有效地改善过氧化锂和催化剂的界面问题;(2)在放电过程中,其钌金属中心可以与LiO2物种作用,诱导LiO2溶解,促进溶液相反应机理,促使过氧化锂扩展生长,改善LiO2对电极表面的电化学钝化,提升了放电容量。(3)该催化剂可以与LiO2形成相对稳定、反应活性较小的中间产物(RuPC(LiO2-3DMSO)),显著抑制副反应的发生,大大提升了锂空气电池的可逆性。(4)在充电过程中,由于钌金属中心与LiO2物种的相互作用,促使过氧化锂先通过一电子脱锂的途径进行分解,与传统的两电子直接分解途径相比,该催化剂提供了一条更加可逆和热力学更为有利的反应途径,使得充电过电位大幅度降低。最终,含有该溶液相催化的锂空气电池能获得更大的放电容量,更长的循环性能,更低的充电过电位以及更少的副反应。

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该研究工作主要由我院2015iChEM直博生林晓东(第一作者)在董全峰教授、郑明森副教授和龚磊副教授的共同指导下完成,理论计算由袁汝明助理教授(共同第一作者)完成,曹勇、丁晓兵、蔡森荣、韩博闻等学生参与了部分工作。周志有教授和洪宇浩博士生在电化学微分质谱方面给予大力的帮助与支持。此外,感谢傅钢教授在理论计算方面的讨论和建议,Eric Meggers教授在配合物合成上的讨论,泉州师范学院吴启辉教授和我院谷宇博士生在X射线光电子能谱方面的帮助,于腊佳老师在电子顺磁共振实验上的帮助,陶丹丹博士生在紫外可见光谱测试上的帮助以及王韬博士生在循环伏安方面的讨论。

该工作得到科技部重大基础研究计划(项目批准号:2015CB251102)、国家自然科学基金(项目批准号:21673196216210912170318621773192)和中央高校基本科研业务费专项资金(项目批准号:2072015004220720150043)的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.chempr.2018.08.029