上海交大和UCLA Nature Communications: 多步放电构筑异质结电池

【引言】

有机体系锂空气电池的研究虽然在过去的几年里取得了巨大的进展，但能量效率低、循环寿命和倍率性能较差始终制约着锂空气电池的进一步应用与发展。这些挑战和问题主要和Li₂O₂放电产物中较差的电荷传输有关。Li₂O₂晶体是一种绝缘体，理论上它的电子能隙接近4.9 eV，室温下的电导率仅为10^-12~10^-13 S cm^-1。当生成的Li₂O₂放电产物覆盖在电极表面超过一定厚度时将堵住电极表面的电荷传输。人们认为在过放电或循环过程中锂空气电池的突然失活可能和绝缘的Li₂O₂放电产物或电解液分解等生成的碳酸锂副产物在空气阴极表面的积累以及锂负极发生有害的副反应有关。在报道的文献中，锂空气电池在放电过程中形成的绝缘的Li₂O₂放电产物往往依靠掺杂，缺陷，极化子或表面电导等方式来改善Li₂O₂放电产物的电荷传输能力。

【成果简介】

近日，上海交通大学陈接胜，王开学教授团队和加州大学洛杉矶分校的陈俊教授在国际顶级期刊Nature Communications上成功发表 “Multistaged discharge constructing heterostructure with enhanced solid-solution behavior for long-life lithium-oxygen batteries”的论文。论文提出构筑Li₂O₂基异质结的方法，利用内建电场的电子转移增强Li₂O₂放电产物的电荷传输能力。首先在传统的碳酸酯类电解液中，以钾氧电池为体系沉积生长碳酸钾层。后续在锂离子醚类电解液中外延生长Li₂O₂产物，构筑Li₂O₂基异质结。相比碳酸锂，预沉积的碳酸钾具有较低的带隙，有较大的间隙位置。在锂氧气电池的循环过程中，有利于锂氧气电池氧析出过程呈现出固溶行为。同时，通过两步放电方法倾向于生长膜状的放电产物而不是圆盘状大颗粒的产物，有利于锂氧气电池循环稳定性的提高。

【全文解析】

图1 PVP-C@LDO的合成和结构分析。

图 2 (a) Li₂CO₃和 (b) K₂CO₃的晶体结构图。

图 3 两步放电构筑异质结的电池性能。

图 4 溶剂化离子去溶剂化过程导致碳酸酯类电解液分解生成碳酸钾产物。

图5 两步放电过程构建异质结的表征。

图6 膜状放电产物的缺陷表征。

图7 Li₂O₂基异质结的带隙变化。

【总结与展望】

通过两步放电的过程可以在电极的表面外延生长Li₂O₂产物，构筑Li₂O₂基异质结，提高锂氧气电池的循环稳定性。锂氧气电池循环稳定性的提高可能和放电产物中电荷传输能力的增强，生成的膜状放电产物而不是圆盘状大的放电产物使电极表面发生钝化有关。

该工作得到国家自然科学基金(21871177, 21673140, 21720102002)等资助，感谢上海光源对实验测试的帮助与支持。

Multistaged discharge constructing heterostructure with enhanced solid-solution behavior for long-life lithium-oxygen batteries. Nature Communications, 2019, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-13712-2.