清华深研院ACS Energy letters ：新型电解液体系电用于锂空气电池

【引言】

随着全世界对能源的需求越来越大，可循环充放电的金属空气电池被认为是将来最具有前景的能源存储装置，因为其理论能量密度远远高于目前的锂离子电池。其中，锂氧气电池是金属空气电池中最具代表性的一种电池，其理论比能量可以达到11140 Wh kg¹，与汽油的能量密度相当，足以满足电动汽车的续航要求。然而，锂氧气电池在实际应用过程中，仍然存在很多需要解决的关键问题：如电解液体系不稳定，较差的循环性能与较低的库伦效率。因此，开发、构建高效稳定的锂空气电池电解液体系，是锂空气电池现阶段面临的一项重大挑战。

【成果简介】

最近，清华大学深圳研究生院能源与环境材料团队李宝华教授和翟登云副教授（共同通讯作者），刘如亮博士在ACS Energy letters上发表题为“Achieving Low Overpotential Lithium−Oxygen Batteries by Exploiting a New Electrolyte Based on N,N′‑Dimethylpropyleneurea”的文章。研究者开发了以N, N'-二甲基丙烯基脲 (DMPU)作为溶剂、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)为添加剂、双三氟甲基磺酰胺亚锂（LiTFSI）作为锂盐的新型电解液体系。该电解液体系中，DMPU具有较低的蒸汽压（b p=246^oC），较强的极性以及较好的溶解锂盐的能力；BHT可以吸附体系中产生的产氧自由基，减缓超氧自由基对电解液的破坏作用。因此，该体系兼具离子电导率高、热稳定性好、抗氧化性强等优点，可以有效的而降低充放电电压差，提高锂氧电池循环稳定性。使用单纯碳纳米管作为正极组装锂氧电池，充电电压降低到0.6V（锂氧电池常规电解液TEGDME为1.4V）。

【图文导读】

图1 DMPU/BHT体系的电化学性能

（a) 1M LiTFSI/DMPU,1MLiTFSI/TEGDME和1MLiTFSI/DMPU/ BHT 的电导率随温度变化曲线；

（b) LiTFSI/DMPU分别在Ar和O₂氛围下的CV曲线（工作电极为玻璃碳电极，测试扫描速度为100 mV s⁻¹）；

（c) LiTFSI/DMPU与LiTFSI/TEGDME 在电流密度为100 µA cm^-2条件下的全放电曲线；

（d) LiTFSI/DMPU与LiTFSI/TEGDME 分别在电流密度为100 µA cm^-2条件下的第一圈限容充放电曲线。

图2基于DMPU/BHT体系的锂氧气电池放电产物表征

（a）全放电产物的XRD

（b）全放电产物的拉曼光谱

（c）全放电产物的SEM (DMPU)

（d）全放电产物的SEM (DMPU/BHT)

图3不同条件下的限容充放电循环

（a) 1M LiTFSI/DMPU在不同电流密度条件下第一圈充放电曲线；

（b)首次循环之后更换LiTFSI/DMPU电解质的第一圈限容充放电曲线；

（c)1M LiTFSI/DMPU和 d)1 M LiTFSI/DMPU/BHT 在分别在电流密度为50µA cm^-2的条件下限容充放电循环图

图4Li₂O₂在1 M LiTFSI/DMPU电解液中的分解机理示意图

Reaction I: Li₂O₂→ 2Li⁺+O₂^-(sol) + e^-

Reaction II: Li⁺+O₂^-(sol) → 1/2 Li₂O₂+1/2 O₂↑

图5不同循环之后电解液溶剂的核磁谱图

a)原始的DMPU, b)全放电之后的LiTFSI/DMPU, c) 第一圈循环之后的 LiTFSI/DMPU, d) 循环10圈之后的LiTFSI/DMPU, e) 全放电之后的 LiTFSI/DMPU/BHT, f) 个循环20圈之后的LiTFSI/DMPU/BHT。

【结语】

作者开发了以N, N'-二甲基丙烯基脲 (DMPU)作为溶剂、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)为添加剂的新电解液体系。该电解液体系有效的降低了锂氧电池的过电压，这主要归因于在充电过程中，具有较高DN值的DMPU溶剂，易实现一个电子转移。此外，BHT以化学吸附的方式稳定了LiO₂，有利于提高电池的循环稳定性。本工作通过研究溶剂对锂氧电池充电机理的影响，为开发新型、高性能的锂氧电池电解液体系提供理论思路。

文献链接：Achieving Low Overpotential Lithium−Oxygen Batteries by Exploiting a New Electrolyte Based on N,N′‑Dimethylpropyleneurea（ACS Energy Lett.，2017, DOI: 10.1021/acsenergylett.6b00581）

本文由清华大学深圳研究生院康飞宇教授团队供稿，材料人欧洲杯线上买球 组背逆时光编辑整理。

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