电化学大牛最新Science:基于可逆四电子反应的锂-氧电池

【引言】

由于存在着氧气的二电子还原产生过氧化锂（Li₂O₂）的反应，锂-氧（Li-O₂）电池电池的理论能量密度至少比传统锂离子电池高一个数量级，使得这类电池在新能源领域成为研究热点。然而，多孔碳正极的腐蚀以及有机电解质的分解等现象的存在一直阻碍着锂-氧电池的商业化应用。相比于过氧化物和超氧化物，氧化锂（Li₂O）被认为是一种良性的氧化剂，其与有机试剂和碳的反应活性较低。因此，寻求在电池中实现氧气可逆还原成氧化物的反应是目前改善锂-氧电池性能的重要途径。

【成果简介】

近日，加拿大滑铁卢大学的L. F. Nazar（通讯作者）课题组报道了一种可通过高度可逆的四电子氧化还原反应产生氧化锂的新型锂-氧电池。研究人员首先将操作温度提高到150℃，在这一温度上热力学驱动力更倾向于形成氧化锂而非过氧化锂。而由镍纳米颗粒组成的非碳复合正极则能够原位形成锂镍氧化物（Li_xNiO₂），可以作为促使氧氧键可逆断裂-形成的高效电催化剂。这使得电池在放电时可以产生高达11毫安时/cm²的容量，而充电时氧气又可以在低过电势下进行反应。这一研究工作表明了锂-氧电化学可以突破现有电解质和超氧产物等产生的限制，实现接近100%的库伦效率。2018年8月24日，相关成果以题为“A high-energy-density lithium-oxygen battery based on a reversible four-electron conversion to lithium oxide”的文章在线发表在Science上。

【图文导读】

图1 新型锂-氧电池的热力学和构成示意图

图2 不同正极材料（碳正极和镍/硝酸盐复合物正极）的锂-氧电池特性

图3 新型锂-氧电池的高度可逆性

图4新型锂-氧电池的循环性能

图5 基于镍基复合催化剂的氧气还原反应机理研究

文献链接：A high-energy-density lithium-oxygen battery based on a reversible four-electron conversion to lithium oxide（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aas9343）

本文由材料人学术组NanoCJ供稿，材料牛编辑整理。

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