CCS Chemistry：一種用于鋰氧氣電池的高效多功能可溶性催化劑

一、?【導讀】 ?

鋰-氧電池因其理論能量密度高達3500Wh/kg而備受關注。然而,實際應用至今仍面臨諸多挑戰。其一，氧還原反應(ORR)和氧析出反應(OER)動力學較為遲緩，給電池性能帶來不利影響。其二，副反應嚴重，導致循環性能不佳。為提升鋰-氧電池性能，開發理想的ORR和OER催化劑至關重要。固態催化劑催化位點受限，催化劑利用率低。相比之下，可溶催化劑在電解液中均勻分布，能與Li₂O₂充分接觸，通常表現出更高的催化活性。然而，當前報道的可溶OER催化劑尚未很好解決超氧離子引起的副反應和電極鈍化問題。盡管可溶ORR催化劑能通過與超氧離子相互作用來提升放電性能，但無法降低充電過電壓和單態氧導致的副反應。因此，有效控制中間體和優化反應動力學對于開發高性能多功能溶液態催化劑至關重要，這也是實現鋰-氧電池實際應用的關鍵。

二、【成果掠影】

最近，鄭州大學化工學院竇雅穎、周震團隊發表了一項關于鋰氧氣電池的研究。他們使用乙酰丙酮銥（Ir(acac)₃）作為鋰氧氣電池多功能可溶性催化劑，電池性能明顯提升。這項研究提出了一種有效的多功能催化劑，旨在提高鋰氧氣電池的能量效率和循環壽命，將有力推動鋰氧氣電池的進一步的發展和實際應用。

相關研究成果以“An Efficient Multifunctional Soluble Catalyst for Li-O₂?Batteries”為題發表在期刊CCS Chemistry上。

三、【核心創新點】

在電池運行過程中，Ir(acac)₃能夠與超氧自由基（O₂^-）相互作用，形成可逆的中間態復合物（Ir(acac)₃-O₂^-），從而有效地調節充放電反應途徑，同時調控O₂^-的反應活性。

充電過程中，Ir(acac)₃還能作為氧化還原介質促進Li₂O₂的分解，有效降低充電過電位。通過原位紫外-可見光譜觀察到，較低的充電電位顯著減少了高反應性單線態氧（O₂）中間體的生成，從而大大提高了體系的穩定性。

四、【數據概覽】

圖?1. (a) O₂中含/不含Ir(acac)₃?的電解質的 CV 曲線。 (b) 不含 Ir(acac)₃?和 (c) 含有 Ir(acac)₃?在不同電位范圍的 CV 曲線。

圖2. Ir(acac)₃催化機制的驗證。?(a) 添加 KO₂?之前和之后含/不含 Ir(acac)₃?電解質的紫外光譜。 (b) 氣體分析過程的示意圖。(c) 對應的氣體析出速率。

圖?3. 含有和不含 Ir(acac)₃?的 Li-O₂?電池的電化學性能。 (a)電流密度為 200 mA g^-1?時，Li-O₂?電池的完全放電-充電曲線。（b）不含?Ir(acac)₃?和（c）含有 Ir(acac)₃的?Li-O₂?電池的電壓曲線，以及（d）相應的終端放電電壓和放電容量及循環次數，電流密度為 100 mA g^?1?，截止容量500 mAh g^?1。 (e)電流密度從100到2000 mA g^-1的Li-O₂電池的倍率性能。 (f) 不含和含有 Ir(acac)₃?的電池在不同電流密度下的放電容量。

圖?4. 含有/不含 Ir(acac)₃?的 Li-O₂?電池的放電和再充電正極的 (a) XRD 圖譜和 (b-e) Li 1s XPS 譜，(b) 不含 Ir(acac)₃?的電池的放電和 (c) 充電正極。 Ir(acac)₃電池(d)放電正極(e) 充電的正極。

圖?5. 不含 Ir(acac)₃?的 (a,c,e) 和 (b,d,f) 含Ir(acac)₃?的正極在選定階段的 SEM 圖像； (a,d) 第一次放電、(c,d) 第一次充電和 (e,f) 第 20 次充電后正極的 SEM 圖像。

圖?6.?含/不含?Ir(acac)₃?的 Li-O₂?電池的充電曲線及相應的 DMA 濃度變化。

五、【成果啟示】

本文報道了一種有機金屬配合物Ir(acac)₃?，并將其用于?Li-O₂?電池作為多功能可溶性催化劑。Ir(acac)₃?能夠在電化學生成?O₂^??時對其捕獲，形成中間體 (Ir(acac)₃-O₂^-) 絡合物，從而使超氧化物遠離電極，促進溶液路徑放電，并減輕正極鈍化和相關的寄生反應。充電時，Ir(acac)₃?可以通過主動與固體 Li_2?xO₂?表面上形成的超氧化物中間體結合并充當氧化還原介質來加速 Li₂O₂?的分解。此外，充電電位的降低有效地抑制了¹O₂的產生。因此，含有Ir(acac)₃的Li-O₂電池表現出大的放電容量、高的能量效率和更好的循環穩定性。這一成果表明，未來有必要開發更多種多功能可溶性催化劑，從而進一步提高鋰氧氣電池和其他金屬空氣電池的性能。

原文詳情：

An Efficient Multifunctional Soluble Catalyst for Li-O₂?Batteries.

Shuochao Xing, Zhengcai Zhang, Yaying Dou*, Minghui Li, Jing Wu, Zhang Zhang, Zhen Zhou*

DOI: 10.31635/ccschem.023.202303320

https://www.chinesechemsoc.org/doi/10.31635/ccschem.023.202303320

本文由邢碩超供稿