電化學大牛最新Science:基于可逆四電子反應的鋰-氧電池

【引言】

由于存在著氧氣的二電子還原產生過氧化鋰（Li₂O₂）的反應，鋰-氧（Li-O₂）電池電池的理論能量密度至少比傳統鋰離子電池高一個數量級，使得這類電池在新能源領域成為研究熱點。然而，多孔碳正極的腐蝕以及有機電解質的分解等現象的存在一直阻礙著鋰-氧電池的商業化應用。相比于過氧化物和超氧化物，氧化鋰（Li₂O）被認為是一種良性的氧化劑，其與有機試劑和碳的反應活性較低。因此，尋求在電池中實現氧氣可逆還原成氧化物的反應是目前改善鋰-氧電池性能的重要途徑。

【成果簡介】

近日，加拿大滑鐵盧大學的L. F. Nazar（通訊作者）課題組報道了一種可通過高度可逆的四電子氧化還原反應產生氧化鋰的新型鋰-氧電池。研究人員首先將操作溫度提高到150℃，在這一溫度上熱力學驅動力更傾向于形成氧化鋰而非過氧化鋰。而由鎳納米顆粒組成的非碳復合正極則能夠原位形成鋰鎳氧化物（Li_xNiO₂），可以作為促使氧氧鍵可逆斷裂-形成的高效電催化劑。這使得電池在放電時可以產生高達11毫安時/cm²的容量，而充電時氧氣又可以在低過電勢下進行反應。這一研究工作表明了鋰-氧電化學可以突破現有電解質和超氧產物等產生的限制，實現接近100%的庫倫效率。2018年8月24日，相關成果以題為“A high-energy-density lithium-oxygen battery based on a reversible four-electron conversion to lithium oxide”的文章在線發表在Science上。

【圖文導讀】

圖1 新型鋰-氧電池的熱力學和構成示意圖

圖2 不同正極材料（碳正極和鎳/硝酸鹽復合物正極）的鋰-氧電池特性

圖3 新型鋰-氧電池的高度可逆性

圖4新型鋰-氧電池的循環性能

圖5 基于鎳基復合催化劑的氧氣還原反應機理研究

文獻鏈接：A high-energy-density lithium-oxygen battery based on a reversible four-electron conversion to lithium oxide（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aas9343）

本文由材料人學術組NanoCJ供稿，材料牛編輯整理。

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