南大周豪慎團隊 Adv. Energy Mater.：利用Li基液態負極和MOFs隔膜構建安全、高效的有機氧電池

【背景介紹】

近年來，隨著人們對能源短缺和環境問題認識的日益提高，電動汽車被廣泛的關注。其中，Li-O₂電池由于具有與汽油相當的理論能量密度而備受關注。但理想的Li-O₂電池負極反應需要高度可逆的鋰金屬溶解/沉積。然而，由于Li金屬的高反應活性和較大的體積變化，導致Li的利用率較低；而電流密度在Li表面和Li離子在SEI層中的的不均勻分布，則會導致Li枝晶的生長，造成電路短路現象，甚至造成嚴重的事故。

雖然目前提出了多種策略，但是與Li金屬有關的問題尚未完全解決。聯苯液態負極近年來收到了研究者的關注。另一方面，對于Li-O₂電池正極，研究者提出了氧化還原介體（RMs）策略來解決高過電位和副反應問題，但是電解質中的RMs自由擴散至負極可能會引起所謂“穿梭”效應。目前，無論是對于液態負極還是RMs，固態電解質（SSEs）常被用于阻止不必要的“穿梭”效應，但是制備困難和離子電導率差使得SSEs在實際應用中受到限制。

【成果簡介】

近日，南京大學的周豪慎教授（通訊作者）團隊報道了一種基于鋰的有機液體負極，并實現了一種基于金屬有機骨架（MOFs）隔膜的有機氧氣電池，該隔膜能夠傳導鋰離子并阻隔電池系統中的其他大分子。同時采用雙氧化還原介質的策略，有機氧氣電池顯示出優異的倍率性能、長循環壽命和低的過電位。而且，他們在有機液體負極和離子導電隔膜之間觀察到類固體電解質界面（SEI）層。該工作不僅為Li基電池提供了一種新型的負極，而且為更好的應用聯苯基液體負極提供了基本思路。研究成果以題為“A Safe Organic Oxygen Battery Built with Li-Based Liquid Anode and MOFs Separator”發布在國際著名期刊Adv. Energy Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、Bp-Li液態負極的性能
（a）制備Bp-Li液態負極；

（b）Bp-Li負極與水的反應；

（c）通過EIS方法測量Bp-Li液態負極的電導率。

圖二、ZIF-7隔膜的表征
（a）使用SSEs的聯苯-Na/K液態負極與ZIF-7隔膜的聯苯-鋰液態負極的示意圖；

（b）ZIF-7隔膜的橫截面SEM圖像；

（c）滲透測試在開始時和在7 d后的電子圖像;

（d）不同時間點從G4一側提取的電解質的FT-IR光譜。

圖三、有機O₂電池的示意圖和性能表征
（a）帶有Bp-Li液態負極、雙RM輔助KB正極和ZIF-7隔膜的有機O2電池示意圖；

（b）雙RM輔助氧正極和Bp-Li液體負極半電池的電化學特性；

（c）制備的Li基有機O₂電池的倍率性能；

（d）Li基有機O₂電池在100次循環內的循環性能。

圖四、ZIF-7隔膜在電池中的性能測試和表征
（a）循環后，ZIF-7隔膜的截面和正面SEM圖像；

（b）循環前后，ZIF-7隔膜的FT-IR光譜；

（c）循環后，ZIF-7/Bp-Li界面的XPS C 1s、F 1s和Zn 2p光譜；

（d）形成類似SEI的ZIF-7/Bp-Li界面示意圖。

【小結】

綜上所述，作者成功制備了一種使用非SSEs隔膜的Li基有機氧氣電池。他們通過一種ZIF-7隔膜，在傳導Li離子以橋接Bp-Li液態負極和O₂正極的同時，阻擋負極側的Bp-Li和正極側的RMs。得益于具有高電子電導率和離子電導率的Bp-Li負極和擁有特殊的腔結構的ZIF-7顆粒，有機氧氣電池實現了快速的離子遷移，實現了高達4 A g^-1的優異倍率性能和高達100次循環的穩定放電/充電性能。此外，作者在ZIF-7隔膜上觀察到基于液態負極形成了類SEI層，并發現Li₂CO₃、LiF、C-F物質和一些未溶解的聯苯是其組分。借助于PVDF-HFP粘合劑，這些物質有助于為Bp-Li液態負極的功能建立穩定的界面。總之，該工作不僅將為Li基電池帶來一種新型的負極，而且為更好的應用堿金屬基液態負極提供更多的理解。

文獻鏈接：A Safe Organic Oxygen Battery Built with Li-Based Liquid Anode and MOFs Separator.（Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.201903953）

作者簡介

南京大學現代工程與應用科學學院14級碩士畢業生鄧瀚為該文第一作者，周豪慎教授為通信作者。該團隊一直致力于鋰空氣電池的研究，并首次提出混合電解液鋰空氣電池概念。近年來在MOFs材料在儲能電池中的應用方面也開展了工作。混合電解液系列工作包括：J. Power Sources 2010, 195, 358?36；Energy Environ. Sci., 2011, 4, 4994；Adv. Energy Mater. 2012, 2, 770–779；Adv. Energy Mater. 2018, 1801120；Joule 3, 1–16, 2019。MOFs材料系列工作包括：Nature Energy，1, 16094 (2016)；ACS Energy Lett. 2018, 3, 2, 463-468；Joule, 2, 10, 2117-2132；Energy Environ. Sci., 2019,12, 2327-2344；Energy Storage Materials; 25, 164-171。

本文由CQR編譯。

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