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锂-空气电池研究与开发进展:聚焦来自于空气组分的伴生反应

第一作者:X.P. Zhang

通讯作者:何平,周豪慎(南京大学)

成果简介:

南京大学何平教授和周豪慎教授就空气中除O2之外的其他组分如CO2、H2O和N2等在锂-空气电池中发生的复杂伴生反应问题做了详细梳理和总结。

随着不可再生能源的消耗/枯竭和随之而来的环境问题日益严峻,可再生能源受到更多的关注。然而,可再生能源的存储和有效利用需要电化学储能器件支撑。锂离子电池因其具有长循环寿命和环境友好特性,广泛应用于便携式电子设备领域。然而,锂离子电池目前低于400 Wh/kg的比能量难以满足电动汽车的长距离续航里程的要求。锂-空气电池理论比能量高达3500 Wh/kg,有望用于长里程的电动汽车电源。目前,锂-空气电池的研究尚未达到实用化要求,锂-空气电池的正极反应涉及到固-固-液-气四相界面反应,是所有电极反应(如锂离子电池正极的嵌入反应、金属锂负极的转换反应和燃料电池的电催化反应)中最为复杂的一种。如图 1所示。

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1各种电极反应类型和举例

影响锂-空气电池循环性能的一个已探明的因素是反应中间产物超氧根自由基攻击溶剂分子和碳催化剂材料。其次,在循环过程中不溶性的Li2O2堵塞气体扩散通道,使催化剂活性降低。研究者们已在提高电解液稳定性、优化氧气电极和开发高效催化剂等方面做了诸多研究工作。目前需要关注的是,锂-空气电池是一个半开放的体系,将与空气成分如CO2、H2O和N2等发生作用。针对这些问题,本文综述了锂-空气电池在实际用于空气中时的伴生反应及面临的挑战。从以下四个方面进行展开讨论(如图2):1. CO2/Li2CO3在锂-空气电池正极的反应机理及其催化剂研究进展;2. 微量水参与的锂-空气电池正极的反应机理及对其性能的影响;3. 空气中其他成分对锂-空气电池放电性能的影响;4. 空气中O2、CO2及H2O等成分对Li负极的影响。

 

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2 本论文所关注的几种电极反应

总的来说,锂-空气电池尚处于起步阶段,其实用化之前还需解决诸多问题。在空气中运行时,就电极反应来说,有较多的副反应。对正极反应的影响主要是CO2和H2O,适量的CO2参与反应时,可提高电池的放电容量,但是放电产物Li2CO3在充电过程难以分解,Li2CO3的积累,增加副反应的发生。因此,需要寻找合适的CO2还原和析出的催化剂;研究证实微量的H2O参与正极反应时,可促进Li2O2的形成。若H2O超过一定量时,可能扩散到负极,腐蚀Li负极。因此,Li负极保护也是一个重要研究课题。除此之外,O2选择透过性膜和液相催化剂也是锂-空气电池的今后的研究方向。如果解决这些副反应问题,锂-空气电池距实用化又迈进了一大步。

 

参考文献:

X.P. Zhang, X.W. Mu, S.X. Yang, P.F. Wang, S.H. Guo, M. Han, P. He* and H.S. Zhou*, Research Progress for the Development of Li-Air Batteries: Addressing Parasitic Reactions Arising from Air Composition, Energy Environ. Mater. 2018,1, 61-74.

https://doi.org/10.1002/eem2.12008

 

团队介绍:

 

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何平,物理化学博士,南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师。2003年6月毕业于南京航空航天大学应用化学专业,获理学学士学位,2009年6月于复旦大学化学系获得物理化学博士学位,同年赴日本国立产业技术综合研究所能源技术研究所任特别研究员(博士后),从事高比能量二次电池的开发和研究。2011年底受南京大学人才引进计划资助回国工作。主要研究领域为功能材料电化学与储能器件,包括动力型锂离子电池,水系二次电池,高比能量锂-空气电池。在能源材料及电化学领域的权威刊物如Nat Chem, Nat Commun, Adv Materials, Energy Enviroment Sci, Adv Energy Mater, Nano Energy等发表SCI论文90余篇,其中以通讯或第一作者身份发表SCI论文50余篇,文章他引3600余次,个人H-index 34。担任30余种国际学术期刊的审稿人。现为国家重点研发计划课题负责人,主持国家自然科学基金项目(2项),江苏省自然科学基金(2项)等。

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周豪慎,化学工程博士,南京大学现代工程与应用科学学院能源系主任、教授、博士生导师,国家千人计划专家,教育部长江讲座教授,国家科技部973首席科学家。1985年本科毕业于南京大学物理系,1994年博士毕业于日本东京大学。主持国家纳米重大研究计划项目,国家自然科学基金重点和面上项目。在能源及材料化学领域的国际期刊上发表研究论文超过500篇,其中有90余篇发表在IF>10的高影响因子学术刊物上,如Nat. Mater.,Nat. Energy,Nat. Comm.,Angew Chem. Int. Ed.,J. Am. Chem. Soc., Energy & Environ. Sci.,Adv. Mater.等。文章引用24000余次高被引论文30余篇单篇被引用超100次的有70余篇个人H因子83。已取得专利50余件,转让技术并被推向产业的有多项。


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