
Li-Air電池/ACS/ Chao Li:具有超疏水鋰保護層的鋰空氣電池
【論文鏈接】
https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c05494
【作者單位】
Fudan University
【論文摘要】
本文報道了具有超疏水性的水凝膠衍生的分層多孔碳(HDHPC)層被證明是鋰空氣電池的有效鋰保護層,其可以抑制循環過程中的水攻擊和鋰枝晶的形成。因此,基于HDHPC保護層的鋰空氣電池在周圍空氣中表現出顯著的循環穩定性(40%的相對濕度下),這遠好于沒有HDHPC保護層的鋰空氣電池。研究還表明,鋰空氣電池中O2/Li2O2的轉化將不利于副產物和電解質的分解。HDHPC保護層的使用開辟了在環境空氣中開發高性能鋰空氣電池的新途徑。
【TOC】
【實驗方法】
合成RU-CNTs復合材料:
將116 mgRuCl3·xH2O溶解在去離子水(60 ml)中,然后向溶液中加入150 mg碳納米管(CNTs),攪拌半小時后,將得到的溶液冷凍干燥,在250℃,5% H2/Ar混合氣氛中,以5℃min-1的升溫速率煅燒2小時。
水凝膠級多孔碳(HDHPC)保護層的制備:
① 將1.2 g丙烯酰胺(C3H5NO)溶解在去離子水(10 ml)中,加入6 mg的N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(C7H10N2O2)和20μL 的N,N,N',N'-四甲基乙胺(C6H16N2)。
② 形成透明無色溶液后,再加入7mg過氧硫酸銨。所得水凝膠經凍干去除吸附水后,浸泡在含NaCl和ZnCl2的水溶液中膨脹。(水凝膠、NaCl、ZnCl2的質量比為1:1:1)
③ 復合凍干,隨后加熱到300°C管式爐氮氣流動,并維持在300°C 1 h。之后溫度提高到600°C 并維持在600°C2 h。
④ 最后,產品在80℃的真空烘箱中干燥24小時,所得粉末為分層多孔碳(HPC)。在異丙醇的作用下,將HPC粉和聚四氟乙烯按重量比為8:2壓縮,制備HDHPC保護層。將得到的膜切成直徑為14mm的膜。
鋰空氣(O2)電池組件:
電池組件是在一個充滿氬的手套箱中操作的。采用玻璃纖維隔膜浸液(1 M LiTFSI/TEGDME)分離Ru-CNTs正極和Li金屬負極。HDHPC保護層直接覆蓋在金屬鋰陽極表面,浸入電解液。
【圖文摘取】
Figure 1. Characterization of the HDHPC protective layer. (a) Photograph of an achieved HDHPC protective layer. (b) SEM image of the HDHPC protective layer. (c) Contact angle of H2O on the HDHPC protective layer. (d) Nitrogen adsorption-desorption isotherms and pore-size distribution (inset) of the HDHPC protective layer. (e) N 1s and (f) O 1s XPS spectra of the HDHPC protective layer.
Figure 2. Electrochemical performance of the Li-air (O2) battery. Recyclability of the Li-air battery in ambient air (a) with and (b) without the HDHPC protective layer. Recyclability of Li-O2 batteryin pure O2 condition (c) with and (d) without the HDHPC protective layer. Cutoff capacity: 1000 mA h g-1. Current density: 500 mA g-1.
Figure 3. Examination of lithium metal anode in Li-air (O2) batteries. SEM image of (a) the pristine lithium metal anode, lithium metal anode (b) without and (c) with the HDHPC protective layer coating in Li-air batteries after the 20th cycle. SEM image of (d) the pristine lithium metal anode, lithium metal anode (e) without and (f) with the HDHPC protective layer coating in Li-O2 batteries after the 20th cycle. (g) Ex situ XRD patterns of the lithium metal anode with (or without) the HDHPC protective layer coating in Li-air batterie safter the 5th cycle. (h) EIS plots of the Li-air battery with (or without) the HDHPC protective layer coating at the pristine stage (inset) and after the 5th cycle.
Figure 4. Investigation of Ru-CNT cathodes in Li-air (O2) batteries containing the HDHPC protective layer. SEM images of (a) pristine, (b) discharged, and (c) recharged Ru-CNT cathodes in HDHPC protective layer-based Li-air batteries. (d) Ex situ XRD patterns and (e) ex situ FTIR spectra of pristine, discharged, and recharged Ru-CNT cathodes in the HDHPC protective layer-based Li-air batteries. Charge curves and corresponding gas evolution of the (f) Li-O2 cell and (g) Li-air cell with the HDHPC protective layer at 500 mA g-1.
【主要結論】
本文通過在環境空氣和純氧條件下,證明HDHPC保護層是鋰金屬負極的優良保護層,這種膜保證了長期運行的鋰金屬負極的無枝晶形態。在環境空氣中,與沒有HDHPC保護層的電池相比,該鋰空氣電池具有更長的循環壽命。然而,由于負極鈍化和攻擊空氣的作用,目前的鋰-空氣電池的電化學性能仍然遠遠低于鋰-氧氣電池。下一步除了保護鋰金屬負極外,抑制正極鋰空氣電池的副反應也是必不可少的。

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