厦门大学化学化工学院电化学科学与工程研究所董全峰

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锂空气电池正极材料研究新进展

董全峰教授课题组在锂空气电池正极材料研究中取得重要进展，相关研究成果 “An open-structured matrix as oxygen cathode with high catalytic activity and large Li2O2 accommodations for lithium-oxygen batteries”发表在《先进能源材料》(Adv. Energy Mater. DOI:10.1002/aenm.201800089)。该工作得到了评审人的高度评价，认为“这一工作为我们解决困扰锂空电池的问题建立了一个好的示范”（This work has set us a good example to resolve the difficulties troubling the Li-O2 battery）；编辑部推荐将该研究成果作为“视频摘要”在Wiley Online平台进行介绍。

       非水系锂空气（Li-O2）电池主要是基于Li2O2的生成与分解来进行能量的存储，由于其采用金属锂作为负极，空气中的氧气作为正极的活性物质，因而具有极高的理论能量密度，可达现有锂离子电池的10倍左右，被认为是一代所谓“终极”化学电源。虽然锂空气电池是非常有吸引力的电化学储能体系，但要实现其广泛应用，仍然有很多困难需要克服。对其中关键的空气电极而言，主要有以下三个方面的问题：（1）气体电极结构问题。不溶的放电产物Li2O2容易堵塞空气电极，阻碍氧气的扩散与进一步反应，使得其实际放电容量远远低于理论放电容量；（2）氧气反应的动力学问题。氧气在空气电极上的氧化还原反应较为缓慢，导致充放电过程的过电位较大（通常大于1 V）；（3）界面问题。放电产物Li2O2与空气电极的接触界面问题，直接影响充电过程，使得Li2O2不能被完全分解，造成锂空气电池的可逆性较差。

       针对这些问题，该研究设计和合成出一种具有开放式结构的剑麻状Co9S8材料，并首次将其作为锂空气电池正极。通过系统的研究发现，其开放状结构不仅为反应产物提供了丰富储存空间，有效避免不溶Li2O2对空气电极的堵塞。而且，特殊的开放式结构有利于氧气的俘获与释放，为高效快速电极反应提供保障；其次，Co9S8具有优异的催化活性，有效改善了氧气反应动力学，大幅度提高了电极反应速度；最后，Co9S8且具有良好的氧气亲和性，可以诱导氧气在Co9S8纳米棒表面反应生成过氧化锂，形成优异的Li2O2/电极接触界面，从而有利于充电过程中充分发挥Co9S8的催化效率，促进Li2O2的完全分解。所以，该Co9S8空气电极综合解决了上述三个方面的问题，相应的锂空电池表现出优异的电化学性能。在50 mA g-1的电流密度下，可以获得高达~6875 mAh g-1的放电容量，在控制放电容量为1000 mAh g-1的条件下，可以将充放电过电位降低至0.57 V，优于目前已报道的氧化物基催化剂。本文也结合实验与理论计算，提出了Li2O2的反应机理，对设计和优化气体电极具有理论指导意义。

                        
       研究工作在董全峰教授和郑明森副教授的指导下，主要由我院2015级iChEM直博生林晓东（第一作者）完成，理论计算部分由袁汝明助理教授（共同第一作者）完成，博士生蔡森荣、江友红、雷杰、刘三贵等参与了部分工作。廖洪钢教授和泉州师范学院吴启辉教授分别在透射电子显微镜和X射线光电子能谱方面提供了积极的帮助与支持。此外，傅钢教授在理论计算方面予以的建议，陈嘉嘉博士（格拉斯哥大学）和王苏恒博士生（2015级iChEM直博生）参与实验方面讨论。

       该工作得到了科技部重大基础研究计划（973计划，项目批准号：2015CB251102）、国家自然科学基金委（项目批准号：21673196、21621091、21703186）和中央高校基本科研业务费专项资金（项目批准号：20720150042）的资助。

       论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.201800089

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近日，我院董全峰教授课题组在锂氧气电池新型电解质体系研究中取得重要进展，相关研究成果以“High-performance Lithium–Oxygen Batteries using a Urea-based Electrolyte with Kinetically Favorable One-electron Li2O2 Oxidation Pathways”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上（DOI: 10.1002/anie.202207570）。
        在电化学储能装置中，电解液在构建反应环境方面起着决定性的作用。由于氧电极反应的复杂性，电解液的作用在锂氧气电池中更加突出。一方面， O2–、O22–、1O2等活性氧（reactive oxygen species, ROS）在电解液中的稳定性决定了锂氧气电池的循环寿命；另一方面，电解液与中间产物（如LiO2、Li2-xO2）的相互作用又可调控锂氧气电池的放电/充电机制，从而影响电池容量和过电位。

        该工作报道了一种适用于锂氧气电池的新型脲基电解液体系（TMU）。由于TMU具有较强的Li+溶剂化能力，该电解液系统可以构建动力学更加有利的Li2O2单电子氧化途径（Li2O2 → LiO2(sol) + e− + Li+；2LiO2(sol) → Li2O2 + O2）。此外，溶剂分子结构中不包含易被高反应活性O2– 亲核进攻的α-氢原子，从而抑制了攫氢副反应。相比于传统醚类基电解液，新型脲基电解液体系表现出了更低的充电过电位（~0.51 V vs. ~1.27 V）和更长的循环寿命（~135 cycles vs. ~28 cycles），实现了锂氧气电池性能的大幅度提升。通过合理的催化设计和添加剂修饰，该新型脲基电解液体系后续可望得到进一步发展。
          该工作在董全峰教授和郑明森教授的共同指导下完成。我院2018级博士生孙宗强和2015级博士生林晓东为论文的共同第一作者。袁汝明副教授在实验思路上给予了帮助。博士生王楚涛、胡阿娟、侯晴、谭艳艳、窦文杰也参与了部分工作，唐淳博士与华煜晖博士在分子结构上参与了讨论。该工作得到国家自然科学基金委（项目批准号：U1805254、21773192、22072117、22179112）的资助。
         论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202207570