通訊單位：南京大學、日本產業技術綜合研究所、筑波大學
論文DOI：10.1002/aenm.201903953
背景介紹
鋰氧氣電池因具備極高的理論能量密度，被研究人員認為是有望應用於電動汽車的下一代儲能電池系統。然而，其負極使用的金屬鋰具有低利用率和枝晶生長等問題，至今仍未有效解。發展基於聯苯的液態負極是近年來儲能電池研究的一個熱點，但是基於鋰離子液體負極的相關研究目前仍然缺乏。另一方面，目前為止的研究中常用固態電解質來阻隔液態負極，但其本身的固有缺點限制了其實際應用。更重要的是，作為發生離子和電子交換的關鍵界面，目前對於離子傳導膜和液態負極間界面的理解還十分匱乏。
本文亮點
- 本文描述了一種安全，高功率和長壽命的基於鋰離子的有機氧氣電池。其使用鋰聯苯絡合物的醚溶液作為液態負極，由雙液相催化劑添加劑作為輔助的多孔碳材料作為氧氣正極，並使用基於有機金屬框架的薄膜作為電池隔膜。
- 基於具有高離子和電子電導率的鋰聯苯的液態負極，以及有機金屬框架薄膜所具有的獨特腔體結構對離子的輸運調控，有機氧氣電池實現了高電流密度（4.0 A·g-1）下的長時間穩定循環（100次）。
- 在循環後有機金屬框架薄膜面向液態負極的一側，觀察到並研究了一種類固態電解質層（Solid Electrolyte Interface，SEI），推測了其形成機制，提出其對於液體負極的穩定循環具有重要影響。
圖文解析
▲ 圖1. 聯苯鋰液體負極的製備及其電導率測試
將金屬鋰溶解於聯苯的醚溶液得到深色的聯苯鋰液體負極（圖1.a）。將水滴滴入液體負極中，未見明顯氣泡，反應溫和，這表明聯苯鋰液體負極是一種安全的負極電極材料（圖1.b）。通過EIS法和伏安法測得了整體電導率和電子電導率（圖1.c）。良好的電導性是其作為液體負極材料的基礎。
▲ 圖2. 常用固態電解質和金屬有機框架薄膜的對比；評價製備的金屬有機框架薄膜用於阻擋聯苯鋰液態負極效果的滲透實驗
相較於常用固態電解質材料，金屬有機框架薄膜作為隔膜材料具有離子傳導性和阻擋大基團分子的基礎上，還具有柔性以及良好的可操作性（圖2.a）。製備的金屬有機框架薄膜均勻緻密（圖2.b），在滲透實驗中，通過電子照片以及FT-IR表徵對比，證明金屬有機框架薄膜能有效阻擋液體負極中活性物質聯苯的穿梭。
▲ 圖3. 有機氧氣電池的電池構造及其倍率和循環的電化學性能
基於聯苯鋰液體負極，金屬有機框架薄膜隔膜和雙液相催化劑輔助的多孔碳氧氣正極的電池結構如圖3.a所示。受益於液體負極良好的離子和電子電導，以及金屬有機框架薄膜獨特腔體結構對於離子傳輸的調控，組裝的有機氧氣電池在保持了較低的過點位的情況下展現出優異的倍率性能（4A·g-1），以及良好的循環穩定性（100次充放電）。
▲ 圖4. 對循環後金屬有機框架隔膜上類SEI膜的系列表徵及推測的膜組分
在循環後的金屬有機框架隔膜上，我們觀察到液體負極測生成了一個新的界面層。考慮到該界面一邊連接離子傳導介質，一邊連接具有離子電導和電子電導的液體負極，我們認為提出該界面層是一個類固態電解質界面（SEI）。通過FT-IR和XPS等表徵手段，我們推測出該界面層主要成分為Li2CO3, LiF, C–F物質和部分未溶解的聯苯。
總結與展望
本工作成功構建了一種基於鋰基液態負極和金屬有機框架隔膜的有機氧氣電池，並實現了高功率，長壽命，低過點位的穩定循環。觀察並表徵了一種基於液態負極的類SEI膜，並初步研究了其組分和形成機制。該工作不僅為鋰基負極材料提供了一種新的選擇，更為基於聯苯的液態負極提供了更深的理解。
課題組介紹
該文第一作者為鄧瀚，目前在日本筑波大學攻讀博士學位，分別於2014年和2017年在南京大學獲得學士和碩士學位。主要研究方向為鋰-氧氣電池的電解液調控及新型負極材料開發。周豪慎教授為通信作者。該課題組從事於鋰/鈉離子電池，鋰空氣電池，鋰硫電池和固態電池的研究和開發。在Nature Energy; Nature Catalysis; Joule; Energy Environment Sci.; JACS; Angew. Chem. Int. Ed.; Nature Commun.; Adv. Mater.; Adv. Energy Mater.等學術刊物上發表論文多篇。
原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201903953
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